对称加密详解
对称加密详解
对称加密是一种使用相同密钥进行加密和解密的加密方法。下面我将从原理、算法、应用场景到代码实现全面介绍对称加密。
基本概念
核心特征
单一密钥：加密和解密使用同一个密钥
加解密速度快：相比非对称加密快几个数量级
适合大数据量加密：常用于文件加密、网络通信加密等场景
加密过程
明文 + 密钥 → [加密算法] → 密文解密过程
密文 + 密钥 → [解密算法] → 明文主要对称加密算法
1. DES (Data Encryption Standard)
密钥长度：56位（已不安全）
分组大小：64位
现状：已被破解，不推荐使用
2. 3DES (Triple DES)
原理：对每个数据块应用三次DES加密
密钥长度：112位或168位
现状：仍在使用但逐渐被淘汰
3. AES (Advanced Encryption Standard)
密钥长度：128位、192位、256位
分组大小：128位
现状：目前最常用的对称加密算法，安全高效
4. ChaCha20
流密码算法：特别适合移动设备
性能优秀：在缺乏AES硬件加速的设备上表现更好
AES加密解密完整示例
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.GCMParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;/*** AES对称加密工具类* 支持GCM模式（推荐，提供完整性验证）*/
public class AESEncryption {// AES密钥长度private static final int AES_KEY_SIZE = 256;// GCM认证标签长度private static final int GCM_TAG_LENGTH = 128;// GCM IV长度private static final int GCM_IV_LENGTH = 12; // 推荐12字节/*** 生成AES密钥*/public static SecretKey generateKey() throws Exception {KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");keyGenerator.init(AES_KEY_SIZE);return keyGenerator.generateKey();}/*** 从Base64字符串恢复密钥*/public static SecretKey loadKey(String base64Key) {byte[] decodedKey = Base64.getDecoder().decode(base64Key);return new SecretKeySpec(decodedKey, 0, decodedKey.length, "AES");}/*** AES-GCM加密（推荐使用）* GCM模式提供机密性和完整性验证*/public static String encryptGCM(String plaintext, SecretKey key) throws Exception {// 生成随机IVbyte[] iv = new byte[GCM_IV_LENGTH];SecureRandom random = new SecureRandom();random.nextBytes(iv);// 初始化加密器Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");GCMParameterSpec parameterSpec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH, iv);cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, parameterSpec);// 执行加密byte[] ciphertext = cipher.doFinal(plaintext.getBytes("UTF-8"));// 组合IV和密文：IV + 密文byte[] encryptedData = new byte[iv.length + ciphertext.length];System.arraycopy(iv, 0, encryptedData, 0, iv.length);System.arraycopy(ciphertext, 0, encryptedData, iv.length, ciphertext.length);return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);}/*** AES-GCM解密*/public static String decryptGCM(String encryptedData, SecretKey key) throws Exception {byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);// 分离IV和密文byte[] iv = new byte[GCM_IV_LENGTH];byte[] ciphertext = new byte[decodedData.length - GCM_IV_LENGTH];System.arraycopy(decodedData, 0, iv, 0, iv.length);System.arraycopy(decodedData, iv.length, ciphertext, 0, ciphertext.length);// 初始化解密器Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");GCMParameterSpec parameterSpec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH, iv);cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, parameterSpec);// 执行解密byte[] plaintext = cipher.doFinal(ciphertext);return new String(plaintext, "UTF-8");}/*** AES-CBC加密（兼容性更好）*/public static String encryptCBC(String plaintext, SecretKey key) throws Exception {// 生成随机IVbyte[] iv = new byte[16]; // AES块大小是16字节SecureRandom random = new SecureRandom();random.nextBytes(iv);Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, new javax.crypto.spec.IvParameterSpec(iv));byte[] ciphertext = cipher.doFinal(plaintext.getBytes("UTF-8"));// 组合IV和密文byte[] encryptedData = new byte[iv.length + ciphertext.length];System.arraycopy(iv, 0, encryptedData, 0, iv.length);System.arraycopy(ciphertext, 0, encryptedData, iv.length, ciphertext.length);return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);}/*** AES-CBC解密*/public static String decryptCBC(String encryptedData, SecretKey key) throws Exception {byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);byte[] iv = new byte[16];byte[] ciphertext = new byte[decodedData.length - 16];System.arraycopy(decodedData, 0, iv, 0, iv.length);System.arraycopy(decodedData, iv.length, ciphertext, 0, ciphertext.length);Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, new javax.crypto.spec.IvParameterSpec(iv));byte[] plaintext = cipher.doFinal(ciphertext);return new String(plaintext, "UTF-8");}/*** 密钥转换为Base64字符串（用于存储或传输）*/public static String keyToString(SecretKey key) {return Base64.getEncoder().encodeToString(key.getEncoded());}
}/*** 使用示例和测试类*/
class AESExample {public static void main(String[] args) {try {System.out.println("=== AES对称加密演示 ===\n");// 1. 生成密钥SecretKey key = AESEncryption.generateKey();String keyString = AESEncryption.keyToString(key);System.out.println("生成的AES密钥: " + keyString.substring(0, 32) + "...");String originalText = "这是一段需要加密的敏感数据！Secret message: Hello World!";System.out.println("原始文本: " + originalText);System.out.println("原始文本长度: " + originalText.length() + " 字符");// 2. 使用GCM模式加密（推荐）System.out.println("\n--- GCM模式加密 ---");String encryptedGCM = AESEncryption.encryptGCM(originalText, key);System.out.println("加密后: " + encryptedGCM.substring(0, 50) + "...");String decryptedGCM = AESEncryption.decryptGCM(encryptedGCM, key);System.out.println("解密后: " + decryptedGCM);System.out.println("GCM解密验证: " + originalText.equals(decryptedGCM));// 3. 使用CBC模式加密System.out.println("\n--- CBC模式加密 ---");String encryptedCBC = AESEncryption.encryptCBC(originalText, key);System.out.println("加密后: " + encryptedCBC.substring(0, 50) + "...");String decryptedCBC = AESEncryption.decryptCBC(encryptedCBC, key);System.out.println("解密后: " + decryptedCBC);System.out.println("CBC解密验证: " + originalText.equals(decryptedCBC));// 4. 从字符串恢复密钥测试System.out.println("\n--- 密钥恢复测试 ---");SecretKey restoredKey = AESEncryption.loadKey(keyString);String testEncrypted = AESEncryption.encryptGCM("测试密钥恢复", restoredKey);String testDecrypted = AESEncryption.decryptGCM(testEncrypted, restoredKey);System.out.println("密钥恢复测试: " + "测试密钥恢复".equals(testDecrypted));// 5. 性能测试System.out.println("\n--- 性能测试 ---");performanceTest(key);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}private static void performanceTest(SecretKey key) throws Exception {// 生成1MB测试数据StringBuilder testData = new StringBuilder();for (int i = 0; i < 10000; i++) {testData.append("这是一段测试数据用于性能评估。");}String largeText = testData.toString();long startTime = System.currentTimeMillis();int iterations = 10;for (int i = 0; i < iterations; i++) {String encrypted = AESEncryption.encryptGCM(largeText, key);AESEncryption.decryptGCM(encrypted, key);}long endTime = System.currentTimeMillis();double avgTime = (endTime - startTime) / (double) iterations;System.out.printf("加密解密 %d KB 数据平均耗时: %.2f 毫秒%n", largeText.length() / 1024, avgTime);System.out.printf("吞吐量: %.2f MB/秒%n", (largeText.length() / (1024.0 * 1024)) / (avgTime / 1000.0));}
}/*** 文件加密工具类*/
class FileEncryptionTool {private static final int BUFFER_SIZE = 8192;/*** 加密文件*/public static void encryptFile(String inputFile, String outputFile, SecretKey key) throws Exception {try (java.io.FileInputStream fis = new java.io.FileInputStream(inputFile);java.io.FileOutputStream fos = new java.io.FileOutputStream(outputFile)) {// 生成随机IVbyte[] iv = new byte[16];SecureRandom random = new SecureRandom();random.nextBytes(iv);// 写入IV到文件开头fos.write(iv);Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, new javax.crypto.spec.IvParameterSpec(iv));try (javax.crypto.CipherOutputStream cos = new javax.crypto.CipherOutputStream(fos, cipher)) {byte[] buffer = new byte[BUFFER_SIZE];int bytesRead;while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {cos.write(buffer, 0, bytesRead);}}}}/*** 解密文件*/public static void decryptFile(String inputFile, String outputFile, SecretKey key) throws Exception {try (java.io.FileInputStream fis = new java.io.FileInputStream(inputFile);java.io.FileOutputStream fos = new java.io.FileOutputStream(outputFile)) {// 读取IVbyte[] iv = new byte[16];if (fis.read(iv) != iv.length) {throw new IllegalStateException("文件已损坏或格式不正确");}Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, new javax.crypto.spec.IvParameterSpec(iv));try (javax.crypto.CipherOutputStream cos = new javax.crypto.CipherOutputStream(fos, cipher)) {byte[] buffer = new byte[BUFFER_SIZE];int bytesRead;while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {cos.write(buffer, 0, bytesRead);}}}}
}对称加密的工作模式
1. ECB (Electronic Codebook) - 不推荐
每个块独立加密
相同明文块产生相同密文块
安全性差，会暴露数据模式
2. CBC (Cipher Block Chaining) - 常用
每个明文块与前一个密文块进行异或操作
需要初始化向量(IV)
提供更好的安全性
3. GCM (Galois/Counter Mode) - 推荐
提供机密性和完整性验证
并行计算，性能好
现代应用的首选模式
安全最佳实践
1. 密钥管理
// 安全的密钥生成
KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
keyGen.init(256, SecureRandom.getInstanceStrong()); // 使用强随机数2. IV使用原则
不要重复使用IV：每次加密使用随机IV
IV不需要保密：但必须不可预测
GCM模式IV：推荐12字节长度
3. 认证加密
优先选择提供认证的加密模式（如GCM），避免仅使用加密模式（如CBC）而不进行完整性验证。
对称加密 vs 非对称加密
特性 | 对称加密 | 非对称加密 |
|---|---|---|
密钥数量 | 1个共享密钥 | 公钥+私钥对 |
速度 | 快（适合大数据量） | 慢（比对称加密慢100-1000倍） |
主要用途 | 数据加密 | 密钥交换、数字签名 |
典型算法 | AES, ChaCha20 | RSA, ECC |
实际应用场景
HTTPS通信：使用对称加密加密实际数据传输
文件加密：加密存储敏感文件
数据库字段加密：保护数据库中的敏感数据
消息加密：即时通讯应用的消息加密
对称加密是现代密码学的基石，正确使用对称加密可以有效地保护数据的机密性。在实际应用中，通常会将对称加密与非对称加密结合使用，发挥各自优势。