Java AES加密解密全解析：原理、实现与最佳实践

在当今信息安全至关重要的时代，数据加密已成为每个Java开发者必须掌握的技能。AES(Advanced Encryption Standard)作为最流行的对称加密算法之一，被广泛应用于各种安全场景。本文将带你全面了解Java中AES的实现，从基础概念到高级应用，助你构建更安全的系统。

一、AES加密基础概念

AES(高级加密标准)是一种对称加密算法，由美国国家标准与技术研究院(NIST)于2001年确立。它取代了原先的DES算法，成为新一代加密标准。AES的主要特点包括：

1. 对称加密：加密和解密使用相同的密钥
2. 分组加密：将明文分成固定长度的块进行处理
3. 三种密钥长度：支持128位、192位和256位密钥
4. 高安全性：目前尚未有已知的有效攻击方法

二、Java中的AES实现核心类

Java通过JCE(Java Cryptography Extension)提供加密支持，主要涉及以下核心类：

• javax.crypto.Cipher：加密操作的核心类
• javax.crypto.KeyGenerator：密钥生成器
• javax.crypto.SecretKey：对称密钥接口
• javax.crypto.spec.IvParameterSpec：初始化向量(IV)规范

三、AES加密模式与填充方式

3.1 加密模式

Java支持多种AES加密模式，常见的有：

1. ECB(Electronic Codebook)：最简单的模式，安全性较低
2. CBC(Cipher Block Chaining)：常用模式，需要IV
3. GCM(Galois/Counter Mode)：提供认证加密，推荐使用

3.2 填充方式

当数据长度不是块大小的整数倍时，需要填充。常用填充方式：

• PKCS5Padding/PKCS7Padding
• NoPadding(不推荐)

四、Java AES加密实战代码

4.1 基础AES加密实现

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;

public class AESUtil {

    // 生成AES密钥
    public static SecretKey generateKey(int keySize) throws Exception {
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGenerator.init(keySize);
        return keyGenerator.generateKey();
    }

    // AES加密(CBC模式)
    public static String encrypt(String plainText, SecretKey key) throws Exception {
        byte[] iv = new byte[16]; // 初始化向量
        new SecureRandom().nextBytes(iv);
        IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(iv);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, ivParameterSpec);

        byte[] encrypted = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        byte[] combined = new byte[iv.length + encrypted.length];
        System.arraycopy(iv, 0, combined, 0, iv.length);
        System.arraycopy(encrypted, 0, combined, iv.length, encrypted.length);

        return Base64.getEncoder().encodeToString(combined);
    }

    // AES解密(CBC模式)
    public static String decrypt(String encryptedText, SecretKey key) throws Exception {
        byte[] combined = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);
        byte[] iv = new byte[16];
        System.arraycopy(combined, 0, iv, 0, iv.length);
        IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(iv);

        byte[] encrypted = new byte[combined.length - iv.length];
        System.arraycopy(combined, iv.length, encrypted, 0, encrypted.length);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, ivParameterSpec);

        byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
        return new String(decrypted, StandardCharsets.UTF_8);
    }
}

4.2 更安全的GCM模式实现

// AES-GCM加密实现
public static String encryptGCM(String plainText, SecretKey key) throws Exception {
    byte[] iv = new byte[12]; // GCM推荐12字节IV
    new SecureRandom().nextBytes(iv);

    GCMParameterSpec parameterSpec = new GCMParameterSpec(128, iv); // 128位认证标签
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, parameterSpec);

    byte[] encrypted = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
    byte[] combined = new byte[iv.length + encrypted.length];
    System.arraycopy(iv, 0, combined, 0, iv.length);
    System.arraycopy(encrypted, 0, combined, iv.length, encrypted.length);

    return Base64.getEncoder().encodeToString(combined);
}

// AES-GCM解密实现
public static String decryptGCM(String encryptedText, SecretKey key) throws Exception {
    byte[] combined = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);
    byte[] iv = new byte[12];
    System.arraycopy(combined, 0, iv, 0, iv.length);

    GCMParameterSpec parameterSpec = new GCMParameterSpec(128, iv);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, parameterSpec);

    byte[] encrypted = new byte[combined.length - iv.length];
    System.arraycopy(combined, iv.length, encrypted, 0, encrypted.length);

    byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
    return new String(decrypted, StandardCharsets.UTF_8);
}

五、AES最佳实践与常见问题

5.1 密钥管理

1. 不要硬编码密钥在代码中
2. 使用密钥管理系统(KMS)
3. 定期轮换密钥

5.2 性能优化

1. 重用Cipher实例(线程安全)
2. 对于大文件，考虑分块加密
3. 选择适当的密钥长度(128位通常足够)

5.3 常见问题

1. InvalidKeyException：检查密钥长度和JCE策略文件
2. BadPaddingException：通常由密钥不匹配或数据损坏引起
3. AEADBadTagException(GCM模式)：认证失败

六、Java AES与其他技术的整合

6.1 Spring Boot中的AES加密

@Configuration
public class CryptoConfig {

    @Value("${aes.secret.key}")
    private String base64Key;

    @Bean
    public SecretKey aesSecretKey() throws Exception {
        byte[] decodedKey = Base64.getDecoder().decode(base64Key);
        return new SecretKeySpec(decodedKey, 0, decodedKey.length, "AES");
    }

    @Bean
    public Cipher aesCipher() throws Exception {
        return Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
    }
}

@Service
public class CryptoService {

    @Autowired
    private SecretKey secretKey;

    @Autowired
    private Cipher cipher;

    public String encrypt(String data) throws Exception {
        byte[] iv = new byte[12];
        new SecureRandom().nextBytes(iv);

        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, new GCMParameterSpec(128, iv));
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

        byte[] combined = new byte[iv.length + encrypted.length];
        System.arraycopy(iv, 0, combined, 0, iv.length);
        System.arraycopy(encrypted, 0, combined, iv.length, encrypted.length);

        return Base64.getEncoder().encodeToString(combined);
    }

    // 解密方法类似
}

6.2 Android中的AES实现

Android提供了AndroidKeyStore来安全存储密钥：

// 生成存储在AndroidKeyStore中的AES密钥
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(
    KeyProperties.KEY_ALGORITHM_AES, "AndroidKeyStore");

KeyGenParameterSpec keyGenParameterSpec = new KeyGenParameterSpec.Builder(
    "my_key_alias",
    KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT | KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT)
    .setBlockModes(KeyProperties.BLOCK_MODE_GCM)
    .setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_NONE)
    .setKeySize(256)
    .build();

keyGenerator.init(keyGenParameterSpec);
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

七、AES安全性进阶讨论

1. 侧信道攻击防护：确保实现不受时序攻击影响
2. 密钥派生：使用PBKDF2或Scrypt从密码派生密钥
3. 认证加密：优先选择GCM等提供认证的加密模式