Java和Android 中 AES 对称加密的最佳实践

2023-09-16 08:21:15

Java 和 Android 中使用 AES 进行对称加密：最佳实践

背景

在当今数字时代，数据安全至关重要。未经授权的访问和数据篡改可能会对个人、企业和组织造成毁灭性后果。因此，采用适当的加密措施对于保护敏感信息至关重要。高级加密标准（AES）是一种强大的对称加密算法，广泛用于各种应用程序中。本文探讨使用 AES 进行对称加密的最佳实践，重点关注 Java 和 Android 平台。

什么是 AES？

AES（又称 Rijndael 加密算法）是一种分组密码，这意味着它一次处理固定大小的数据块。AES 支持 128 位、192 位和 256 位密钥长度，提供高水平的安全性。它采用迭代过程，称为加密循环，其中明文被转换为密文。

分组模式

AES 可以使用不同的分组模式，例如电子密码本（ECB）、密码块链接（CBC）、计数器（CTR）和加密块链（XTS）。这些模式决定了加密块如何连接以形成密文。

ECB： 简单但不太安全，每个明文块单独加密。这会导致模式攻击，因为相同的明文块始终加密为相同的密文块。
CBC： ECB 的改进版本，使用初始化向量 (IV) 和前一个密文块加密每个明文块。更安全，因为消除了 ECB 的模式攻击。
CTR： 使用计数器和密钥派生函数加密每个明文块。高效且安全，适用于流加密。
XTS： 专门为磁盘加密设计，使用 AES 进行双重加密。提供额外的安全性，防止特定类型的攻击。

填充和初始化向量

在使用分组模式时，明文可能无法完全填满最后一个数据块。填充技术用于填充块。常用的填充方案包括 PKCS#5、PKCS#7 和零填充。初始化向量 (IV) 是一个随机值，用于初始化分组模式。它确保每次加密生成不同的密文，即使使用相同的明文和密钥。

数据完整性保护

为了防止数据被篡改，采用数据完整性保护（DIP）机制非常重要。可以使用消息认证码（MAC）或数字签名来验证数据的完整性。

MAC： 哈希函数，生成消息的校验和。如果收到的消息与 MAC 不匹配，则表明数据已被篡改。
数字签名： 加密技术，验证数字消息的完整性和真实性。使用私钥签名消息，然后使用对应的公钥验证签名。

Java 中的 AES 加密

Java 提供了 javax.crypto 包来支持加密操作。要使用 AES 进行对称加密，可以执行以下步骤：

生成一个密钥，可以使用 SecretKeyFactory.generateSecret 方法。
创建一个分组密码对象，可以使用 Cipher.getInstance 方法。
初始化分组密码对象，可以使用 init 方法。
加密数据，可以使用 doFinal 方法。

代码示例：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.PBEKeySpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

public class AESEncryptionJava {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Generate a 128-bit AES key
        SecretKey key = generateKey();

        // Create a CBC cipher
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");

        // Initialize the cipher for encryption
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, new IvParameterSpec(new byte[16]));

        // Encrypt some data
        byte[] plaintext = "Hello, world!".getBytes();
        byte[] ciphertext = cipher.doFinal(plaintext);

        // Print the ciphertext
        System.out.println(ciphertext);
    }

    private static SecretKey generateKey() throws Exception {
        // Password to generate the key from
        String password = "myPassword";

        // Salt to enhance the security
        byte[] salt = new byte[16];

        // Iteration count to slow down brute force attacks
        int iterationCount = 1000;

        // Key length
        int keyLength = 128;

        // Create a key factory
        SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA256");

        // Derive the key from the password, salt, and iteration count
        SecretKey key = factory.generateSecret(new PBEKeySpec(password.toCharArray(), salt, iterationCount, keyLength));

        // Return the AES key
        return new SecretKeySpec(key.getEncoded(), "AES");
    }
}

Android 中的 AES 加密

Android 提供了 crypto 库来支持加密操作。要使用 AES 进行对称加密，可以执行以下步骤：

生成一个密钥，可以使用 KeyGenerator.getInstance 方法。
创建一个分组密码对象，可以使用 Cipher.getInstance 方法。
初始化分组密码对象，可以使用 init 方法。
加密数据，可以使用 doFinal 方法。

代码示例：

import java.security.SecureRandom;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

public class AESEncryptionAndroid {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Generate a 128-bit AES key
        SecretKey key = generateKey();

        // Create a CBC cipher
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");

        // Initialize the cipher for encryption
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, new IvParameterSpec(new byte[16]));

        // Encrypt some data
        byte[] plaintext = "Hello, world!".getBytes();
        byte[] ciphertext = cipher.doFinal(plaintext);

        // Print the ciphertext
        System.out.println(ciphertext);
    }

    private static SecretKey generateKey() throws Exception {
        // Key length
        int keyLength = 128;

        // Create a key generator
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGenerator.init(keyLength, new SecureRandom());

        // Generate the key
        return keyGenerator.generateKey();
    }
}