【对称加密】DES与AES算法详解及Java实现

尹疋 · 2025-6-3 00:35:36

对称加密：DES与AES算法详解及Java实现

目录

对称加密概述
DES算法详解
AES算法详解
Java实现示例
安全注意事项
总结

1. 对称加密概述

对称加密是指加密和解密使用相同密钥的加密算法。主要特点包括：

高效性：比非对称加密快100-1000倍
密钥管理：需要安全地共享密钥
常见算法：DES、3DES、AES、Blowfish等
应用场景：大数据量加密、SSL/TLS会话密钥、磁盘加密等

基本流程：

明文 + 密钥 → 加密算法 → 密文
密文 + 密钥 → 解密算法 → 明文

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2. DES算法详解

基本概念

Data Encryption Standard (数据加密标准)
1977年被NIST采纳为联邦标准
分组长度：64位
密钥长度：56位（实际64位，含8位奇偶校验）
已被认为不够安全（1999年被暴力破解）

核心原理

初始置换(IP)：打乱64位明文的顺序
16轮Feistel网络：
- 将数据分为左右两半(各32位)
- 右半通过扩展置换(32→48位)
- 与子密钥异或
- 通过S盒替换(48→32位)
- 与左半异或并交换左右
最终置换(FP)：IP的逆置换

密钥生成

从64位密钥中去掉8位校验位
通过置换选择PC-1得到56位密钥
每轮左移1-2位生成16个子密钥

安全性问题：

56位密钥太小（2⁵⁶种可能）
存在弱密钥和半弱密钥
已被AES取代

3. AES算法详解

基本概念

Advanced Encryption Standard (高级加密标准)
2001年取代DES成为新标准
分组长度：128位
密钥长度：128/192/256位
目前最安全的对称加密算法

核心原理(Rijndael算法)

字节替换(SubBytes)：使用S盒进行非线性替换
行移位(ShiftRows)：每行循环左移不同位数
列混淆(MixColumns)：矩阵乘法混淆数据
轮密钥加(AddRoundKey)：与子密钥异或

加密轮数：

128位密钥：10轮
192位密钥：12轮
256位密钥：14轮

密钥扩展

将初始密钥扩展为(轮数+1)×128位的轮密钥
使用Rcon常量和S盒进行非线性变换

优势：

更强的安全性（最小128位密钥）
更高的效率（适合硬件实现）
无已知的有效攻击方式

4. Java实现示例

DES加密解密示例

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
import java.security.spec.KeySpec;
public class DESExample {
public static void main(String[] args) throws Exception {
String plainText = "Hello, DES!";
String secretKey = "MySecretKey"; // 至少8字节
// 密钥生成
KeySpec keySpec = new DESKeySpec(secretKey.getBytes());
SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
SecretKey key = keyFactory.generateSecret(keySpec);
// 加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] encrypted = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
System.out.println("Encrypted: " + bytesToHex(encrypted));
// 解密
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted));
}
private static String bytesToHex(byte[] bytes) {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (byte b : bytes) {
sb.append(String.format("%02X", b));
}
return sb.toString();
}
}

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AES加密解密示例

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;
public class AESExample {
public static void main(String[] args) throws Exception {
String plainText = "Hello, AES!";
String secretKey = "MySuperSecretKey123"; // 16/24/32字节
// 确保密钥长度正确
byte[] keyBytes = new byte[16]; // 128位
System.arraycopy(secretKey.getBytes(), 0, keyBytes, 0, Math.min(secretKey.length(), keyBytes.length));
SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");
// 加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] encrypted = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
System.out.println("Encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
// 解密
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted));
}
}

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更安全的AES-CBC模式示例

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;
public class AESCBCExample {
public static void main(String[] args) throws Exception {
String plainText = "Hello, AES CBC Mode!";
String secretKey = "ThisIsA128BitKey!!"; // 16字节
// 生成随机IV（初始化向量）
byte[] iv = new byte[16];
new SecureRandom().nextBytes(iv);
IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);
SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(secretKey.getBytes(), "AES");
// 加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, ivSpec);
byte[] encrypted = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
// 组合IV和密文（IV不需要保密）
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);
System.out.println("Encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(combined));
// 解密
byte[] extractedIv = new byte[16];
byte[] extractedCipherText = new byte[combined.length - 16];
System.arraycopy(combined, 0, extractedIv, 0, 16);
System.arraycopy(combined, 16, extractedCipherText, 0, extractedCipherText.length);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, new IvParameterSpec(extractedIv));
byte[] decrypted = cipher.doFinal(extractedCipherText);
System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted));
}
}

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5. 安全注意事项

密钥管理

密钥生成：使用SecureRandom生成随机密钥
密钥存储：使用密钥管理系统或硬件安全模块(HSM)
密钥轮换：定期更换密钥

算法选择建议

优先使用AES：至少128位，推荐256位
避免使用DES：除非遗留系统要求
模式选择：
- CBC模式（需要随机IV）
- GCM模式（同时提供加密和认证）
- 避免ECB模式（相同明文产生相同密文）

其他安全实践

始终使用完整的初始化向量(IV)
对密文进行完整性验证（如HMAC）
使用适当的填充方案（PKCS#5/PKCS#7）
处理BadPaddingException时不泄露具体错误信息

6. 总结

对比DES和AES

特性DESAES密钥长度56位128/192/256位分组大小64位128位安全性已不安全目前安全性能较慢更快轮数16轮10/12/14轮选择建议

新系统：始终使用AES（至少128位）
遗留系统：考虑3DES过渡到AES
高安全性需求：使用AES-256 + GCM模式

最佳实践

结合对称和非对称加密（如RSA加密AES密钥）
使用标准库而非自己实现加密算法
定期评估加密方案的安全性

通过合理选择和实现对称加密算法，可以有效保护数据机密性。记住加密只是安全体系的一部分，需要结合认证、访问控制等其他措施构建完整的安全解决方案。

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