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引言

AES（Advanced Encryption Standard，高級加密標準）是一種??廣泛使用的對稱分組加密算法??，它使用相同的密鑰進行加密和解密操作，以其高安全性、高效率和支持多種密鑰長度的特點，成為保護數據安全的基石技術之一。

AES的設計基于替代-置換網絡（SPN）結構，能夠有效抵抗多種密碼攻擊，保障數據在傳輸和存儲過程中的機密性與完整性。

一、AES算法核心原理

AES是一種??分組密碼算法??，它將明文數據分成固定長度的塊進行處理，每個塊的大小為128位（16字節）。其加密過程通過多輪循環的替換和置換操作實現。

1. 密鑰與輪數

AES支持三種不同長度的密鑰，每種密鑰對應不同的加密輪數：

? AES-128??：128位密鑰，10輪加密

??? AES-192??：192位密鑰，12輪加密

??? AES-256??：256位密鑰，14輪加密

密鑰長度越長，安全性越高，但計算開銷也相應增加。

2. 加密過程

AES的加密過程包含四個核心操作，每輪都會執行這些操作（最后一輪略有不同）：

1. ?字節替換（SubBytes）??：通過一個稱為S盒（Substitution box）的非線性替換表，將輸入數據的每個字節替換為另一個字節，增加算法的非線性特性，增強安全性。

2. ??行移位（ShiftRows）??：將數據矩陣的每一行進行循環左移操作：第一行不變，第二行左移1字節，第三行左移2字節，第四行左移3字節。這打破了列的獨立性，增強了擴散效果。

3. ??列混淆（MixColumns）??：將每列視為有限域GF(2^8)上的多項式，與一個固定多項式進行模乘運算，使每個輸出字節依賴于輸入列中的所有字節，實現列內的擴散（??最后一輪省略此步驟??）。

4. ??輪密鑰加（AddRoundKey）??：將當前數據狀態與當前輪的輪密鑰進行簡單的按位異或（XOR）操作。??輪密鑰由初始密鑰通過密鑰擴展算法生成??，每一輪使用的輪密鑰都不同。

3. 密鑰擴展

密鑰擴展算法將初始密鑰擴展成多個輪密鑰（子密鑰）。擴展過程使用非線性變換和循環移位操作，確保每輪加密使用不同的密鑰，極大增強了安全性。

4. 解密過程

AES的解密過程是加密過程的逆操作，使用相同的密鑰，但以相反的順序執行逆操作（InvSubBytes、InvShiftRows、InvMixColumns）和應用輪密鑰。

二、AES的工作模式與填充

1. 常見工作模式

AES有多種工作模式，以適應不同的應用場景：
? ?ECB（電子密碼本）??：最簡單的工作模式，但安全性較低，相同的明文會生成相同的密文。

? ??CBC（密碼塊鏈接）??：引入初始化向量（IV），增強安全性，是廣泛使用的模式之一。

? ??CTR（計數器模式）??：將塊密碼轉換為流密碼，適用于流加密場景。

? ??GCM（伽羅瓦/計數器模式）??：提供加密和認證功能，適用于需要保證數據完整性和機密性的場景。

工作模式	全稱	特點	適用場景
ECB	Electronic Codebook	簡單，并行計算，相同明文生成相同密文，安全性較低	簡單數據加密，不推薦用于加密大量重復模式的數據
CBC	Cipher Block Chaining	引入初始化向量(IV)，鏈接模式，安全性高于ECB	文件加密，SSL/TLS
CTR	Counter	將分組密碼轉換為流密碼，并行加密，需唯一計數器	實時流媒體加密，高速網絡通信
GCM	Galois/Counter Mode	提供加密和認證功能，高效并行處理	需要同時保證機密性和完整性的場景，如SSH

2. 填充模式

當數據長度不是128位（16字節）的整數倍時，需要進行填充。常見的填充模式包括：

? ??PKCS5/PKCS7 Padding??：最常用的填充方案。如果需要填充n個字節，則每個填充字節的值都是n。

? ??Zero Padding??：用0x00字節填充不足的部分。需注意無法區分填充值和實際數據，可能需額外記錄數據長度。

? ??No Padding??：要求明文長度必須是塊大小的整數倍。

三、SpringBoot 集成 AES 加密算法實戰

下文 以 Java AES/CBC/PKCS5Padding 為例，實現 加密解密

PKCS5Padding 和 PKCS7Padding 填充方式一致

1. Maven 依賴

首先，在項目的 pom.xml文件中添加以下依賴：

<dependencies><!-- Bouncy Castle Provider 用于支持 PKCS7Padding --><dependency><groupId>org.bouncycastle</groupId><artifactId>bcprov-jdk18on</artifactId><version>1.72</version> <!-- 請檢查最新版本 --></dependency><!-- Apache Commons Lang 用于字符串操作 --><dependency><groupId>org.apache.commons</groupId><artifactId>commons-lang3</artifactId><version>3.12.0</version> <!-- 請檢查最新版本 --></dependency>
</dependencies>

2. java 工具類AESUtil .java

/*** AES/CBC/PKCS5Padding 加密解密工具類 (JDK 8 原生支持)* 注意：密鑰和IV需要妥善管理，不建議硬編碼在代碼中* PKCS5Padding 和 PKCS7Padding 填充方式一致*/
public class AESUtil {// 加密算法、模式、填充方式private static final String ALGORITHM = "AES";private static final String TRANSFORMATION = "AES/CBC/PKCS5Padding"; // 使用 JDK 原生支持的 PKCS5Padding// 默認密鑰和初始化向量（IV），建議從外部配置讀取private static final String DEFAULT_KEY = "abcdefghigklmnop"; // 16字節 密鑰（必須為16、24或32字節）private static final String DEFAULT_IV = "abcdefghigklmnop"; // 16字節  初始化向量（必須為16字節）/*** AES/CBC/PKCS5Padding 加密* @param plaintext 待加密的明文* @return Base64編碼的加密字符串*/public static String encrypt(String plaintext) {return encrypt(plaintext, DEFAULT_KEY, DEFAULT_IV);}/*** AES/CBC/PKCS5Padding 加密* @param plaintext 待加密的明文* @param keyStr 密鑰（必須為16、24或32字節）* @param ivStr 初始化向量（必須為16字節）* @return Base64編碼的加密字符串*/public static String encrypt(String plaintext, String keyStr, String ivStr) {if (plaintext == null || plaintext.isEmpty()) {
//            throw new IllegalArgumentException("Plaintext cannot be null or empty");return "";}try {// 將密鑰和IV轉換為字節數組并封裝SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(keyStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), ALGORITHM);IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(ivStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));// 獲取并初始化Cipher對象Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION); // 使用 JDK 原生支持的 PKCS5Paddingcipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);// 執行加密操作byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plaintext.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));// 返回Base64編碼的字符串return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);} catch (Exception e) {throw new RuntimeException("Encryption failed", e);}}/*** AES/CBC/PKCS5Padding 解密* @param ciphertext Base64編碼的密文* @return 解密后的明文*/public static String decrypt(String ciphertext) {return decrypt(ciphertext, DEFAULT_KEY, DEFAULT_IV);}/*** AES/CBC/PKCS5Padding 解密* @param ciphertext Base64編碼的密文* @param keyStr 密鑰（必須與加密時使用的密鑰一致）* @param ivStr 初始化向量（必須與加密時使用的IV一致）* @return 解密后的明文*/public static String decrypt(String ciphertext, String keyStr, String ivStr) {if (ciphertext == null || ciphertext.isEmpty()) {return "";
//            throw new IllegalArgumentException("Ciphertext cannot be null or empty");}try {// 將密鑰和IV轉換為字節數組并封裝SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(keyStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), ALGORITHM);IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(ivStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));// 獲取并初始化Cipher對象Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION); // 使用 JDK 原生支持的 PKCS5Paddingcipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);// 先將Base64編碼的字符串解碼byte[] encryptedBytes = Base64.getDecoder().decode(ciphertext);// 執行解密操作byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(encryptedBytes);// 返回解密后的字符串return new String(decryptedBytes, StandardCharsets.UTF_8);} catch (Exception e) {throw new RuntimeException("Decryption failed", e);}}/*** 測試示例*/public static void main(String[] args) {String originalText = "hello AES CBC";// 加密String encryptedText = encrypt(originalText);System.out.println("加密后 (Base64): " + encryptedText);// 解密String decryptedText = decrypt(encryptedText);System.out.println("解密后: " + decryptedText);// 驗證System.out.println("解密是否成功: " + originalText.equals(decryptedText));}
}

四、前端 Vue 中使用 AES-CBC-Pkcs7 加密解密

1. 安裝 CryptoJS 庫

首先，使用 npm 或 yarn 安裝 crypto-js：

npm install crypto-js
# 或
yarn add crypto-js

2. 創建工具文件 AESUtils.js

創建一個單獨的 JavaScript 文件（如 cryptoUtils.js）來存放加密解密函數，方便復用：

import CryptoJS from 'crypto-js';
// const CryptoJS = require('crypto-js'); //引用AES源碼js
const key = CryptoJS.enc.Utf8.parse("abcdefghigklmnop"); //密鑰
const iv = CryptoJS.enc.Utf8.parse("abcdefghigklmnop"); //密鑰偏移量// 加密方法 - AES-CBC-Pkcs7
export function EncryptCBCPkcs7(word) {const encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(word, key, {iv: iv,mode: CryptoJS.mode.CBC,padding: CryptoJS.pad.Pkcs7});return encrypted.toString();
}// 解密方法 - AES-CBC-Pkcs7
export function DecryptCBCPkcs7(word) {const decrypt = CryptoJS.AES.decrypt(word, key, {iv: iv,mode: CryptoJS.mode.CBC,padding: CryptoJS.pad.Pkcs7});return decrypt.toString(CryptoJS.enc.Utf8);
}

3. 測試使用

// 引入js
import { EncryptCBCPkcs7,DecryptCBCPkcs7 } from '@/utils/AESUtils';
//編寫測試方法
function test(){try {const encrypted = EncryptCBCPkcs7('Hello, World!');console.log('加密結果:', encrypted);const decrypted = DecryptCBCPkcs7(encrypted);console.log('解密結果:', decrypted);} catch (error) {console.error('錯誤:', error);}
}