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Java AES 加密算法實戰詳解：ECB/CBC 模式、填充模式、IV 向量完整指南

編輯：Java 相關知識

AES 算法基礎知識

AES (Advanced Encryption Standard)，高級加密標準，是對稱分組加密算法標準。核心特性：

分組長度：固定 128 位 (16 字節)
密鑰長度：128/192/256 位（Java 默認 128 位，需 JCE 無限制策略支持 256 位）
工作模式：ECB、CBC、CTR、GCM 等
填充模式：PKCS5Padding、PKCS7Padding、NoPadding 等

Java 加密架構 (JCA) 核心類

類/接口	作用
`Cipher`	加密/解密核心引擎，無狀態，需 init 初始化
`KeyGenerator`	對稱密鑰生成器
`SecretKey`	對稱密鑰接口
`IvParameterSpec`	初始化向量 (IV) 參數規範
`SecretKeySpec`	從字節數組構建密鑰

四種常見模式組合實戰

模式 1：AES/ECB/PKCS5Padding（最簡單，不推薦生產）

public static void ecbPkcs5(String plaintext) throws Exception {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
    SecretKey key = KeyGenerator.getInstance("AES").generateKey(); // 隨機密鑰
    
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
    byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
    System.out.println("加密: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
    
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
    byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
    System.out.println("解密: " + new String(decrypted, StandardCharsets.UTF_8));
}

缺點：相同明文產生相同密文，模式可見性差，不安全。

模式 2：AES/CBC/PKCS5Padding（生產標準推薦）

public static void cbcPkcs5(String plaintext) throws Exception {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
    SecretKey key = KeyGenerator.getInstance("AES").generateKey();
    byte[] iv = generateSecureIV(); // 16 字節安全隨機 IV
    
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, new IvParameterSpec(iv));
    byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
    System.out.println("IV: " + Base64.getEncoder().encodeToString(iv));
    System.out.println("加密: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
    
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, new IvParameterSpec(iv));
    byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
    System.out.println("解密: " + new String(decrypted, StandardCharsets.UTF_8));
}

private static byte[] generateSecureIV() {
    byte[] iv = new byte[16];
    new SecureRandom().nextBytes(iv);
    return iv;
}

關鍵點：

IV 必須 16 字節，每次加密生成新的隨機 IV
IV 無需保密，但必須不可預測，通常與密文一起存储/傳輸
PKCS5Padding 自動處理非 16 倍數長度數據

模式 3：AES/CBC/NoPadding（手動填充，特殊場景）

public static void cbcNoPadding(String plaintext) throws Exception {
    // 前提：明文長度必須是 16 字節倍數
    if (plaintext.getBytes(StandardCharsets.UTF_8).length % 16 != 0) {
        throw new IllegalArgumentException("NoPadding 要求數據長度為 16 倍數");
    }
    
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding");
    SecretKey key = KeyGenerator.getInstance("AES").generateKey();
    byte[] iv = "1234567812345678".getBytes(StandardCharsets.UTF_8); // 固定 IV 僅演示
    
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, new IvParameterSpec(iv));
    byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
    
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, new IvParameterSpec(iv));
    byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
    System.out.println("解密: " + new String(decrypted, StandardCharsets.UTF_8));
}

模式 4：指定密鑰加密（實際業務場景）

public static void encryptWithFixedKey(String plaintext, String base64Key, String base64Iv) throws Exception {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
    
    // 從 Base64 還原密鑰和 IV
    byte[] keyBytes = Base64.getDecoder().decode(base64Key);
    byte[] ivBytes = Base64.getDecoder().decode(base64Iv);
    
    SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");
    IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(ivBytes);
    
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);
    byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
    return Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted);
}

填充模式對比與選擇

填充模式	填充規則	適用場景	數據長度要求
PKCS5Padding	缺幾字節填幾個該數值字節	通用推薦，Java 默認	任意長度
PKCS7Padding	同 PKCS5，支持更大分組	BouncyCastle 提供	任意長度
NoPadding	不填充	數據已對齊、流式加密、自定義填充	必須是 16 倍數
ISO10126Padding	隨機填充，最後字節標示長度	舊系統兼容	任意長度

密鑰管理最佳實踐

密鑰生成：使用 KeyGenerator 或 PBKDF2 從密碼派生（SecretKeyFactory）
密鑰存儲：密鑰管理系統 (KMS)、硬件安全模塊 (HSM)、環境變量（非代碼硬編碼）
密鑰輪換：定期更換，舊密鑰保留解密歷史數據
IV 生成：SecureRandom 生成 16 字節，每次加密唯一
認證加密：優先使用 AES-GCM (Java 8+) 同時保證機密性和完整性

AES-GCM 認證加密（現代推薦）

public static String encryptGCM(String plaintext, SecretKey key) throws Exception {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
    byte[] iv = new byte[12]; // GCM 推薦 96 位 IV
    new SecureRandom().nextBytes(iv);
    
    GCMParameterSpec spec = new GCMParameterSpec(128, iv); // 128 位認證標籤
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, spec);
    
    byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
    // 組合：IV + 密文（含認證標籤）
    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);
    return Base64.getEncoder().encodeToString(combined);
}

常見異常與排查

異常	原因	解決
IllegalBlockSizeException	NoPadding 模式下數據非 16 倍數	使用 PKCS5Padding 或手動填充
InvalidKeyException: Illegal key size	密鑰長度超過默認限制 (128 位)	安裝 JCE Unlimited Strength Jurisdiction Policy
InvalidAlgorithmParameterException: Wrong IV length	IV 長度不等於 16 (CBC) 或 12 (GCM)	嚴格按模式要求生成 IV
BadPaddingException	解密密鑰/IV 錯誤、數據損壞	核對密鑰、IV、確保數據完整傳輸

總結

Java AES 加密核心在於：選對模式（生產首選 CBC+PKCS5Padding 或 GCM）、管好密鑰（隨機生成、安全存儲、定期輪換）、用好 IV（CBC 每次隨機 16 字節、GCM 12 字節）、編碼規範（Base64 存储/傳輸二進制數據）。避免使用 ECB 模式、硬編碼密鑰/IV、自定義填充邏輯。現代應用強烈建議升級到 AES-GCM 獲得認證加密保護。