探秘AES加密算法：多种Transformation全解析

🧑 博主简介：CSDN博客专家，历代文学网（PC端可以访问：https://literature.sinhy.com/#/literature?__c=1000，移动端可微信小程序搜索“历代文学”）总架构师，15年工作经验，精通Java编程，高并发设计，Springboot和微服务，熟悉Linux，ESXI虚拟化以及云原生Docker和K8s，热衷于探索科技的边界，并将理论知识转化为实际应用。保持对新技术的好奇心，乐于分享所学，希望通过我的实践经历和见解，启发他人的创新思维。在这里，我希望能与志同道合的朋友交流探讨，共同进步，一起在技术的世界里不断学习成长。
技术合作请加本人wx（注明来自csdn）：foreast_sea

在这里插入图片描述

探秘AES加密算法：多种Transformation全解析

引言

在当今数字化飞速发展的时代，信息安全如同守护宝藏的坚固堡垒，至关重要。而加密算法就是这堡垒中最为关键的防线之一，其中，AES（Advanced Encryption Standard）加密算法以其卓越的性能和广泛的应用，备受关注。

想象一下，我们在网络世界中传输着各种各样敏感的信息，比如银行账户的交易明细、个人的隐私文件、企业的商业机密等等。这些信息一旦泄露，可能会给我们带来巨大的损失。AES加密算法就像是一位忠诚的卫士，默默地将这些信息进行加密处理，使得它们在传输过程中即使被不法分子截获，也难以解读出其中的真实内容。

AES加密算法是一种对称加密算法，它采用相同的密钥进行加密和解密操作。这意味着，只要掌握了正确的密钥，就能轻松地对加密后的信息进行还原。它具有高效、安全、灵活等诸多优点，已经成为了众多领域保障信息安全的首选算法之一。

不仅如此，AES加密算法还有多种transformation方式，比如AES/CBC/PKCS5Padding、AES/ECB/PKCS5Padding、AES/CFB/PKCS5Padding、AES/OFB/PKCS5Padding等。每一种transformation都有其独特的特点，在不同的应用场景下发挥着重要的作用。

在本文中，我们将深入剖析AES加密算法的原理、应用场景，详细介绍每一种transformation的特点，并为大家提供相关的代码示例，让大家对AES加密算法有一个全面而深入的了解。

一、AES加密算法概述

（一）什么是AES加密算法

AES（Advanced Encryption Standard），即高级加密标准，是一种对称分组密码算法。它由美国国家标准与技术研究院（NIST）在2001年发布，旨在取代之前的DES（Data Encryption Standard）加密算法。

对称加密算法的特点是加密和解密使用相同的密钥。这就好比我们用同一把钥匙来锁门和开门一样。在AES算法中，数据被分成固定长度的分组，然后对每个分组进行加密操作。

（二）AES加密算法的原理

密钥扩展
AES算法使用的密钥长度可以是128位、192位或248位。在进行加密操作之前，首先需要对密钥进行扩展。密钥扩展的过程就是根据原始密钥生成一系列的子密钥，这些子密钥将在后续的加密轮次中使用。
例如，对于128位的密钥，会经过一系列复杂的运算，生成10个轮密钥，每个轮密钥的长度也是128位。
加密轮次
AES算法的加密过程是通过多个轮次的变换来实现的。不同的密钥长度对应的加密轮次也不同。

对于128位密钥，需要进行10轮加密操作。
对于192位密钥，需要进行12轮加密操作。
对于248位密钥，需要进行14轮加密操作。

在每一轮加密中，会对分组数据进行一系列的变换，包括字节代换、行移位、列混淆和轮密钥加等操作。这些操作的目的是将原始的分组数据进行混淆和扩散，使得加密后的结果更加难以被破解。

（三）AES加密算法的应用场景

网络通信安全
在网络通信中，比如我们日常使用的互联网浏览、电子邮件传输等，AES加密算法可以对传输的数据进行加密，确保数据在网络中传输的安全性。例如，当我们登录一个网站时，网站可能会使用AES加密算法对我们输入的用户名和密码进行加密，然后再传输到服务器端，这样即使数据在传输过程中被截获，黑客也无法直接获取到我们的用户名和密码。
数据存储安全
对于存储在本地硬盘、云端服务器等地方的数据，也可以使用AES加密算法进行加密。比如企业的重要文件、个人的隐私照片等，通过加密后存储，可以防止数据在存储设备被盗或丢失时被他人非法获取。
金融领域
在金融领域，涉及到大量的资金交易和客户信息，对安全性要求极高。AES加密算法广泛应用于银行转账、网上支付等业务中，对交易数据和客户信息进行加密，保障金融交易的安全进行。

二、AES加密算法的Transformation分析

（一）AES_CBC_PKCS5PADDING（“AES/CBC/PKCS5Padding”）

优点

安全性较好：不容易主动攻击，安全性好于ECB。这是因为它在加密每个分组时，会将前一个分组的加密结果与当前分组进行异或操作，使得每个分组的加密结果都与前面的分组相关联，增加了破解的难度。
适合长报文传输：适合传输长度长的报文，是SSL、IPSec的标准。它能够有效地处理较长的报文，将其分成多个分组进行加密，并且保证了加密的连贯性和安全性。

缺点

不利于并行计算：由于每个分组的加密都依赖于前一个分组的加密结果，所以在进行并行计算时会受到限制，无法同时对多个分组进行高效的加密操作。
误差传递：如果在加密过程中某个分组出现了误差，那么这个误差会传递到后续的分组加密中，影响后续分组的加密结果。
需要初始化向量IV：在开始加密时，需要一个初始化向量IV。这个IV需要是随机生成的，并且要保证其保密性，否则可能会影响到加密的安全性。

代码示例及注释

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;public class AES_CBC_PKCS5PADDING_Example {public static void main(String[] args) throws Exception {// 原始数据String plaintext = "This is a long message to be encrypted using AES/CBC/PKCS5Padding";// 密钥，这里使用128位密钥，需要转换为字节数组byte[] keyBytes = "0123456789abcdef0123456789abcdef".getBytes();SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");// 初始化向量IV，随机生成，这里为了示例简单，固定一个值，实际应用中要随机生成并保密byte[] ivBytes = "1234567890abcdef".getBytes();IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(ivBytes);// 创建Cipher对象，指定加密算法和模式Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");// 初始化Cipher对象为加密模式，传入密钥和初始化向量cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, iv);// 对原始数据进行加密，得到加密后的字节数组byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());// 输出加密后的结果System.out.println("Encrypted data: " + java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes));}
}

在上述代码中：

首先定义了原始数据 plaintext，这是我们要进行加密的内容。
然后生成了128位的密钥 key，并将其转换为字节数组形式。
接着生成了初始化向量 iv，同样转换为字节数组形式。这里需要注意，实际应用中要随机生成并保密。
创建了 Cipher 对象，指定了加密算法为 AES/CC/PKCS5Padding。
初始化 Cipher 对象为加密模式，传入密钥和初始化向量。
最后对原始数据进行加密，得到加密后的字节数组，并将其用Base64编码后输出，方便查看结果。

（二）AES_ECB_PKCS5PADDING（“AES/ECB/PKCS5Padding”）

优点

简单：其加密过程相对简单，不需要像CBC模式那样考虑前一个分组的加密结果，每个分组的加密都是独立进行的。
有利于并行计算：由于每个分组的加密是独立的，所以可以很方便地进行并行计算，提高加密的效率。
误差不会被传送：如果某个分组在加密过程中出现误差，只会影响到该分组本身的加密结果，不会传递到其他分组。

缺点

不能隐藏明文的模式：因为每个分组的加密是独立的，所以对于一些有规律的明文，其加密后的结果可能会呈现出一定的规律，容易被不法分子发现其中的端倪，从而有可能对明文进行主动攻击。
可能对明文进行主动攻击：如前面所述，由于不能很好地隐藏明文的模式，所以存在被主动攻击的风险。

代码示例及注释

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;public class AES_ECB_PKCS5PADDING_Example {public static void main(String[] args) throws Exception {// 原始数据String plaintext = "This is a message to be encrypted using AES/ECB/PKCS5Padding";// 密钥，这里使用128位密钥，需要转换为字节数组byte[] keyBytes = "0123456789abcdef0123456789abcdef".getBytes();SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");// 创建Cipher对象，指定加密算法和模式Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");// 初始化Cipher对象为加密模式，传入密钥cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);// 对原始数据进行加密，得到加密后的字节数组byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());// 输出加密后的结果System.out.println("Encrypted data: " + java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes));}
}

在上述代码中：

同样先定义了原始数据 plaintext。
生成了128位的密钥 key 并转换为字节数组。
创建 Cipher 对象，指定加密算法为 AES/ECB/PKCS5Padding。
初始化 Cipher 对象为加密模式，传入密钥。
最后对原始数据进行加密并输出加密后的结果，也是用Base64编码方便查看。

（三）AES_CFB_PKCS5PADDING（“AES/CFB/PKCS5Padding”）

优点

隐藏了明文模式：通过将分组密码转化为流模式，使得明文的模式被有效地隐藏起来，不容易被不法分子发现规律，从而提高了安全性。
分组密码转化为流模式：这种转化使得加密过程更加灵活，能够更好地适应不同类型的数据加密需求。
可以及时加密传送小于分组的数据：对于一些小于分组长度的数据，也可以及时进行加密并传送，不需要等待数据凑够一个完整的分组。

缺点

不利于并行计算：和CBC模式类似，由于其加密过程的特点，不利于进行并行计算，无法同时对多个分组进行高效的加密操作。
误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元。如果在加密过程中某个明文单元出现了问题，那么可能会影响到后续多个单元的加密结果。
唯一的IV：同样需要一个初始化向量IV，而且这个IV在整个加密过程中是唯一的，需要保证其保密性，否则可能会影响到加密的安全性。

代码示例及注释

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;public class AES_CFB_PKCS5PADDING_Example {public static void main(String[] args) throws Exception {// 原始数据String plaintext = "This is a message to be encrypted using AES/CFB/PKCS5Padding";// 密钥，这里使用128位密钥，需要转换为字节数组byte[] keyBytes = "0123456789abcdef0123456789abcdef".getBytes();SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");// 初始化向量IV，随机生成，这里为了示例简单，固定一个值，实际应用中要随机生成并保密byte[] ivBytes = "1234567890abcdef".getBytes();IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(ivBytes);// 创建Cipher对象，指定加密算法和模式Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CFB/PKCS5Padding");// 初始化Cipher对象为加密模式，传入密钥和初始化向量cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, iv);// 对原始数据进行加密，得到加密后的字节数组byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());// 输出加密后的结果System.out.println("Encrypted data: " + java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes));}
}

在上述代码中：

定义原始数据 plaintext。
生成128位密钥 key 并转换为字节数组。
生成初始化向量 iv 并转换为字节数组，实际应用中要随机生成并保密。
创建 Cipher 对象指定加密算法为 AES/CFB/PKCS5Padding。
初始化 Cipher 对象为加密模式，传入密钥和初始化向量。
最后对原始数据进行加密并输出加密后的结果。

（四）AES_OFB_PKCS5PADDING（“AES/OFB/PKCS5Padding”）

优点

隐藏了明文模式：同样通过将分组密码转化为流模式，有效地隐藏了明文的模式，提高了安全性。
分组密码转化为流模式：使得加密过程更加灵活，适应不同数据的加密需求。
可以及时加密传送小于分组的数据：对于小于分组长度的数据也能及时进行加密并传送。

缺点

不利于并行计算：和前面几种模式类似，不利于进行并行计算，无法同时对多个分组进行高效的加密操作。
对明文的主动攻击是可能的：虽然隐藏了明文模式，但仍然存在被主动攻击的可能性。
误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元。如果在加密过程中某个明文单元出现问题，会影响到后续多个单元的加密结果。

代码示例及注释

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;public class AES_OFB_PKCS5PADDING_Example {public static void main(String[] args) throws Exception {// 原始数据String plaintext = "This is a message to be encrypted using AES/OFB/PKCS5Padding";// 密钥，这里使用128位密钥，需要转换为字节数组byte[] keyBytes = "0123456789abcdef0123456789abcdef".getBytes();SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");// 初始化向量IV，随机生成，这里为了示例简单，固定一个值，实际应用中要随机生成并保密byte[] ivBytes = "1234567890abcdef".getBytes();IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(ivBytes);// 创建Cipher对象，指定加密算法和模式Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/OFB/PKCS5Padding");// 初始化Cipher对象为加密模式，传入密钥和初始化向量cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, iv);// 对原始数据进行加密，得到加密后的字节数组byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());// 输出加密后的结果System.out.println("Encrypted data: " + java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes));}
}