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《AES加密解密C#代码》

在.NET开发中，数据安全是至关重要的环节。AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）作为当前最可靠的对称加密算法之一，被广泛应用于文件加密、网络通信、数据库存储等场景。本文将通过完整的C#代码示例，详细讲解AES加密解密的实现过程，包括密钥生成、加密算法、解密算法以及实际应用中的注意事项。

一、AES加密算法基础

AES是一种对称加密算法，使用相同的密钥进行加密和解密。它支持128位、192位和256位三种密钥长度，密钥越长安全性越高，但计算复杂度也相应增加。在.NET中，System.Security.Cryptography命名空间提供了Aes类，封装了AES算法的实现。

1.1 AES加密流程

AES加密的核心步骤包括：

密钥生成：使用随机数生成器创建加密密钥
初始化向量（IV）：为增强安全性，每次加密使用不同的IV
加密操作：将明文转换为密文
输出结果：包含密文、密钥和IV（需安全存储）

1.2 解密流程

解密是加密的逆过程，需要相同的密钥和IV：

读取密文、密钥和IV
初始化AES解密器
执行解密操作
获取原始明文

二、C#实现AES加密解密

以下代码展示了完整的AES加密解密实现，包含密钥生成、加密和解密方法。

2.1 密钥生成方法

public static (byte[] Key, byte[] IV) GenerateAesKey()
{
    using (Aes aes = Aes.Create())
    {
        aes.GenerateKey();
        aes.GenerateIV();
        return (aes.Key, aes.IV);
    }
}

此方法返回一个包含密钥和IV的元组，两者均为byte数组类型。

2.2 AES加密方法

public static byte[] EncryptStringToBytes(string plainText, byte[] key, byte[] iv)
{
    // 检查参数
    if (string.IsNullOrEmpty(plainText))
        throw new ArgumentNullException(nameof(plainText));
    if (key == null || key.Length == 0)
        throw new ArgumentNullException(nameof(key));
    if (iv == null || iv.Length == 0)
        throw new ArgumentNullException(nameof(iv));

    byte[] encrypted;

    // 创建AES对象
    using (Aes aesAlg = Aes.Create())
    {
        aesAlg.Key = key;
        aesAlg.IV = iv;

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

        // 创建内存流
        using (MemoryStream msEncrypt = new MemoryStream())
        {
            using (CryptoStream csEncrypt = new CryptoStream(msEncrypt, encryptor, CryptoStreamMode.Write))
            {
                using (StreamWriter swEncrypt = new StreamWriter(csEncrypt))
                {
                    // 写入明文
                    swEncrypt.Write(plainText);
                }
                encrypted = msEncrypt.ToArray();
            }
        }
    }

    return encrypted;
}

该方法接受明文字符串、密钥和IV作为参数，返回加密后的byte数组。

2.3 AES解密方法

public static string DecryptStringFromBytes(byte[] cipherText, byte[] key, byte[] iv)
{
    // 检查参数
    if (cipherText == null || cipherText.Length == 0)
        throw new ArgumentNullException(nameof(cipherText));
    if (key == null || key.Length == 0)
        throw new ArgumentNullException(nameof(key));
    if (iv == null || iv.Length == 0)
        throw new ArgumentNullException(nameof(iv));

    string plaintext = null;

    // 创建AES对象
    using (Aes aesAlg = Aes.Create())
    {
        aesAlg.Key = key;
        aesAlg.IV = iv;

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

        // 创建内存流
        using (MemoryStream msDecrypt = new MemoryStream(cipherText))
        {
            using (CryptoStream csDecrypt = new CryptoStream(msDecrypt, decryptor, CryptoStreamMode.Read))
            {
                using (StreamReader srDecrypt = new StreamReader(csDecrypt))
                {
                    // 读取解密后的文本
                    plaintext = srDecrypt.ReadToEnd();
                }
            }
        }
    }

    return plaintext;
}

该方法接受密文byte数组、密钥和IV作为参数，返回解密后的原始字符串。

三、完整示例：加密解密字符串

以下示例展示了如何使用上述方法进行完整的加密解密操作：

class Program
{
    static void Main()
    {
        string original = "这是一段需要加密的敏感数据";
        
        // 生成密钥和IV
        var (key, iv) = GenerateAesKey();
        
        Console.WriteLine($"原始文本: {original}");
        
        // 加密
        byte[] encrypted = EncryptStringToBytes(original, key, iv);
        Console.WriteLine($"加密后(Base64): {Convert.ToBase64String(encrypted)}");
        
        // 解密
        string decrypted = DecryptStringFromBytes(encrypted, key, iv);
        Console.WriteLine($"解密后: {decrypted}");
    }
    
    // 前文定义的GenerateAesKey、EncryptStringToBytes和DecryptStringFromBytes方法
}

运行结果将显示原始文本、加密后的Base64字符串以及解密后的文本，验证加密解密过程的正确性。

四、实际应用中的注意事项

在实际开发中，AES加密解密需要注意以下几个关键问题：

4.1 密钥管理

密钥是AES加密的核心，必须安全存储。常见做法包括：

使用Windows数据保护API（DPAPI）加密存储密钥
将密钥存储在安全的密钥管理服务中（如Azure Key Vault）
避免将密钥硬编码在代码中

4.2 初始化向量（IV）

IV不需要保密，但必须：

每次加密使用不同的IV
与密文一起存储或传输
长度必须与块大小相同（AES为16字节）

4.3 异常处理

加密解密过程中可能抛出多种异常，包括：

CryptographicException：算法或参数错误
ArgumentNullException：参数为null
ArgumentException：参数无效

建议使用try-catch块捕获并处理这些异常。

4.4 性能考虑

对于大文件或频繁加密操作，应考虑：

使用流式处理避免内存溢出
重用Aes对象减少资源消耗
在多线程环境中使用线程安全的实现

五、高级应用：文件加密解密

除了字符串加密，AES也常用于文件加密。以下示例展示了如何加密和解密文件：

5.1 文件加密方法

public static void EncryptFile(string inputFile, string outputFile, byte[] key, byte[] iv)
{
    using (FileStream input = new FileStream(inputFile, FileMode.Open))
    using (FileStream output = new FileStream(outputFile, FileMode.Create))
    using (Aes aes = Aes.Create())
    {
        aes.Key = key;
        aes.IV = iv;
        
        using (CryptoStream cryptoStream = new CryptoStream(output, aes.CreateEncryptor(), CryptoStreamMode.Write))
        {
            input.CopyTo(cryptoStream);
        }
    }
}

5.2 文件解密方法

public static void DecryptFile(string inputFile, string outputFile, byte[] key, byte[] iv)
{
    using (FileStream input = new FileStream(inputFile, FileMode.Open))
    using (FileStream output = new FileStream(outputFile, FileMode.Create))
    using (Aes aes = Aes.Create())
    {
        aes.Key = key;
        aes.IV = iv;
        
        using (CryptoStream cryptoStream = new CryptoStream(input, aes.CreateDecryptor(), CryptoStreamMode.Read))
        {
            cryptoStream.CopyTo(output);
        }
    }
}

5.3 文件加密示例

class FileEncryptionExample
{
    static void Main()
    {
        string originalFile = "original.txt";
        string encryptedFile = "encrypted.aes";
        string decryptedFile = "decrypted.txt";
        
        // 生成密钥和IV
        var (key, iv) = GenerateAesKey();
        
        // 创建测试文件
        File.WriteAllText(originalFile, "这是文件加密测试内容");
        
        // 加密文件
        EncryptFile(originalFile, encryptedFile, key, iv);
        Console.WriteLine("文件加密完成");
        
        // 解密文件
        DecryptFile(encryptedFile, decryptedFile, key, iv);
        Console.WriteLine("文件解密完成");
        
        // 验证
        string result = File.ReadAllText(decryptedFile);
        Console.WriteLine($"解密后文件内容: {result}");
    }
    
    // 前文定义的GenerateAesKey、EncryptFile和DecryptFile方法
}