C#AES加密

工程师0072025-06-13 12:17

一、AES 加密概念

  • 定义 ：AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一种对称加密算法，由美国国家标准与技术研究院（NIST）于 2001 年发布，用于替代之前的 DES（数据加密标准）。它是一种分组密码，以 128 位（16 字节）为分组长度，支持 128 位、192 位和 256 位的密钥长度，分别为 AES - 128、AES - 192 和 AES - 256，其中 AES - 128 应用最为广泛。

  • 应用场景 ：适用于对数据安全性和加密效率要求较高的场景，如文件加密、网络数据传输加密、磁盘加密、移动存储设备加密、云存储数据加密以及企业内部敏感信息加密等。

二、AES 加密原理

  • 分组加密 ：AES 将明文按 128 位（16 字节）的分组长度进行分割，每个分组独立进行加密操作，生成相应的 128 位密文分组。对于不足 16 字节的数据，需要进行填充（Padding）操作，使其达到 16 字节的倍数。

  • 密钥扩展 ：根据用户提供的主密钥（如 128 位、192 位或 256 位），通过特定的密钥扩展算法生成一系列轮密钥（Round Key）。这些轮密钥在加密和解密过程中逐轮使用，用于混合和混淆数据，增强加密的安全性。

  • 加密轮数 ：AES - 128 需要进行 10 轮加密操作，AES - 192 需要 12 轮，AES - 256 需要 14 轮。每轮加密操作都包括字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混合（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）四个步骤，除了最后一轮不进行列混合操作。

  1. 字节替代（SubBytes） ：将每个字节替换为 S - 框（Substitution Box）中对应的字节。S - 框是一种非线性替换表，其设计基于有限域上的乘法逆元和仿射变换，目的是增加加密的复杂性和安全性，使明文和密文之间的关系更加混乱。

  2. 行移位（ShiftRows） ：对状态矩阵（由分组数据构成的 4×4 字节矩阵）的每一行进行循环移位操作。具体来说，第 0 行不移位，第 1 行循环左移一个字节，第 2 行循环左移两个字节，第 3 行循环左移三个字节。这样可以打破分组数据的原始排列顺序，增加数据的扩散性，使明文的相邻字节在密文中分散到不同的位置，提高加密的抗攻击能力。

  3. 列混合（MixColumns） ：将状态矩阵的每一列视为有限域上的多项式，并与一个固定的多项式进行乘法运算，然后取模。这一操作可以进一步混合各列的数据，使一个字节的改变影响到整个列的数据，从而增强加密的扩散性，使密文对明文的微小变化更加敏感。

  4. 轮密钥加（AddRoundKey） ：将当前状态矩阵与轮密钥进行按位异或（XOR）操作。轮密钥是通过密钥扩展算法生成的，与明文数据进行异或操作可以引入密钥的随机性，使密文与明文之间的关系更加复杂，同时确保只有使用正确的密钥才能解密密文。

三、AES 加密用法（以 C# 为例）

  • 加密文件示例

    cs 复制代码 
    using System;
using System.IO;
using System.Security.Cryptography;

public class AESFileEncryption
{
    public static void Main()
    {
        string sourceFilePath = @"C:\input.txt"; // 明文文件路径
        string destinationFilePath = @"C:\encrypted.enc"; // 加密后的文件保存路径
        string password = "MySecurePassword123"; // 加密密码
        string salt = "MySaltValue"; // 盐值

        try
        {
            using (Aes aes = Aes.Create())
            {
                // 根据密码和盐值生成密钥和 IV
                Rfc2898DeriveBytes pdb = new Rfc2898DeriveBytes(password, Encoding.UTF8.GetBytes(salt));
                aes.Key = pdb.GetBytes(aes.KeySize / 8);
                aes.IV = pdb.GetBytes(aes.BlockSize / 8);

                // 创建加密器
                ICryptoTransform encryptor = aes.CreateEncryptor(aes.Key, aes.IV);

                // 使用加密流加密文件
                using (FileStream inputStream = new FileStream(sourceFilePath, FileMode.Open, FileAccess.Read))
                using (FileStream outputStream = new FileStream(destinationFilePath, FileMode.Create, FileAccess.Write))
                using (CryptoStream cryptoStream = new CryptoStream(outputStream, encryptor, CryptoStreamMode.Write))
                {
                    byte[] buffer = new byte[1024];
                    int bytesRead;
                    while ((bytesRead = inputStream.Read(buffer, 0, buffer.Length)) > 0)
                    {
                        cryptoStream.Write(buffer, 0, bytesRead);
                    }
                }
                Console.WriteLine("文件加密完成！");
            }
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine("文件加密过程中发生错误: " + ex.Message);
        }
    }
}

  • 解密文件示例

    cs 复制代码 
    using System;
using System.IO;
using System.Security.Cryptography;

public class AESFileDecryption
{
    public static void Main()
    {
        string sourceFilePath = @"C:\encrypted.enc"; // 密文文件路径
        string destinationFilePath = @"C:\decrypted.txt"; // 解密后的文件保存路径
        string password = "MySecurePassword123"; // 解密密码（需与加密时的密码相同）
        string salt = "MySaltValue"; // 盐值（需与加密时的盐值相同）

        try
        {
            using (Aes aes = Aes.Create())
            {
                // 根据密码和盐值生成密钥和 IV
                Rfc2898DeriveBytes pdb = new Rfc2898DeriveBytes(password, Encoding.UTF8.GetBytes(salt));
                aes.Key = pdb.GetBytes(aes.KeySize / 8);
                aes.IV = pdb.GetBytes(aes.BlockSize / 8);

                // 创建解密器
                ICryptoTransform decryptor = aes.CreateDecryptor(aes.Key, aes.IV);

                // 使用解密流解密文件
                using (FileStream inputStream = new FileStream(sourceFilePath, FileMode.Open, FileAccess.Read))
                using (FileStream outputStream = new FileStream(destinationFilePath, FileMode.Create, FileAccess.Write))
                using (CryptoStream cryptoStream = new CryptoStream(inputStream, decryptor, CryptoStreamMode.Read))
                {
                    byte[] buffer = new byte[1024];
                    int bytesRead;
                    while ((bytesRead = cryptoStream.Read(buffer, 0, buffer.Length)) > 0)
                    {
                        outputStream.Write(buffer, 0, bytesRead);
                    }
                }
                Console.WriteLine("文件解密完成！");
            }
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine("文件解密过程中发生错误: " + ex.Message);
        }
    }
}

  • 加密字符串示例

    cs 复制代码 
    using System;
using System.Security.Cryptography;
using System.Text;

public class AESEncryptionExample
{
    public static void Main()
    {
        string plainText = "这是一段需要加密的文本"; // 明文
        string password = "MySecurePassword123"; // 密码
        string salt = "MySaltValue"; // 盐值

        try
        {
            using (Aes aes = Aes.Create())
            {
                // 根据密码和盐值生成密钥和 IV
                Rfc2898DeriveBytes pdb = new Rfc2898DeriveBytes(password, Encoding.UTF8.GetBytes(salt));
                aes.Key = pdb.GetBytes(aes.KeySize / 8);
                aes.IV = pdb.GetBytes(aes.BlockSize / 8);

                // 创建加密器
                ICryptoTransform encryptor = aes.CreateEncryptor(aes.Key, aes.IV);

                // 加密字符串
                byte[] plainBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(plainText);
                using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
                {
                    using (CryptoStream cs = new CryptoStream(ms, encryptor, CryptoStreamMode.Write))
                    {
                        cs.Write(plainBytes, 0, plainBytes.Length);
                    }
                    byte[] encryptedBytes = ms.ToArray();
                    string encryptedText = Convert.ToBase64String(encryptedBytes);
                    Console.WriteLine("加密后的文本: " + encryptedText);
                }
            }
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine("加密过程中发生错误: " + ex.Message);
        }
    }
}

  • 解密字符串示例

    cs 复制代码 
    using System;
using System.Security.Cryptography;
using System.Text;

public class AESDecryptionExample
{
    public static void Main()
    {
        string encryptedText = "加密后的文本"; // 密文（Base64 编码）
        string password = "MySecurePassword123"; // 密码
        string salt = "MySaltValue"; // 盐值

        try
        {
            using (Aes aes = Aes.Create())
            {
                // 根据密码和盐值生成密钥和 IV
                Rfc2898DeriveBytes pdb = new Rfc2898DeriveBytes(password, Encoding.UTF8.GetBytes(salt));
                aes.Key = pdb.GetBytes(aes.KeySize / 8);
                aes.IV = pdb.GetBytes(aes.BlockSize / 8);

                // 创建解密器
                ICryptoTransform decryptor = aes.CreateDecryptor(aes.Key, aes.IV);

                // 解密字符串
                byte[] encryptedBytes = Convert.FromBase64String(encryptedText);
                using (MemoryStream ms = new MemoryStream(encryptedBytes))
                {
                    using (CryptoStream cs = new CryptoStream(ms, decryptor, CryptoStreamMode.Read))
                    {
                        using (StreamReader sr = new StreamReader(cs))
                        {
                            string decryptedText = sr.ReadToEnd();
                            Console.WriteLine("解密后的文本: " + decryptedText);
                        }
                    }
                }
            }
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine("解密过程中发生错误: " + ex.Message);
        }
    }
}

    四、AES 加密的优缺点

优点

  • 安全性高 ：AES 经过了广泛的安全分析和测试，目前没有被公开破解的有效方法。其加密强度随着密钥长度的增加而显著提高，如 AES - 256 的密钥空间极大，使得暴力破解几乎不可能实现。

  • 加密效率高 ：AES 算法在现代计算机硬件上具有较高的加密和解密速度，能够快速处理大量数据，适用于对实时性要求较高的应用场景，如网络数据传输加密和视频流加密等。

  • 灵活性强 ：支持多种密钥长度（128 位、192 位和 256 位），用户可以根据实际安全需求和性能要求选择合适的密钥长度。同时，AES 还可以与其他加密技术（如哈希算法、数字签名等）结合使用，构建更强大的安全体系。

  • 广泛应用 ：由于其优异的性能和安全性，AES 已经成为全球广泛使用的加密标准之一，得到了众多软件和硬件厂商的支持。在操作系统、数据库管理系统、网络设备、加密软件等领域都有广泛的应用，用户可以方便地找到各种实现和工具来使用 AES 加密。

缺点

  • 密钥管理复杂 ：作为对称加密算法，加密和解密使用相同的密钥，因此密钥的分发和管理是一个关键问题。如果密钥在传输或存储过程中泄露，攻击者就可以轻易地解密密文，获取敏感信息。在分布式系统或多用户环境中，密钥的共享和更新需要采用安全的密钥交换协议和密钥管理系统，增加了系统的复杂性和管理成本。

  • 不适合大规模密钥分发 ：在需要与大量用户进行加密通信的场景下，对称加密算法的密钥分发问题会变得更加突出。例如，如果有 n 个用户，每个用户之间都需要共享一个唯一的密钥，则总共需要 n(n-1)/2 个密钥。当 n 很大时，密钥的数量会呈平方级增长，给密钥管理带来巨大的挑战。

  • 无法实现数字签名 ：对称加密算法只能保证数据的机密性，无法像非对称加密算法那样实现数字签名功能，用于验证数据的完整性和发送者的身份。因此，在需要同时满足数据加密和身份认证的场景下，通常需要将对称加密算法与非对称加密算法结合使用。

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