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对称加密算法

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对称加密算法就是传统的用一个密码进行加密和解密。例如,我们常用的WinZIP和WinRAR对压缩包的加密和解密,就是使用对称加密算法:

winrar

从程序的角度看,所谓加密,就是这样一个函数,它接收密码和明文,然后输出密文:

secret = encrypt(key, message);

而解密则相反,它接收密码和密文,然后输出明文:

plain = decrypt(key, secret);

在软件开发中,常用的对称加密算法有:

算法密钥长度工作模式填充模式
DES56/64ECB/CBC/PCBC/CTR/...NoPadding/PKCS5Padding/...
AES128/192/256ECB/CBC/PCBC/CTR/...NoPadding/PKCS5Padding/PKCS7Padding/...
IDEA128ECBPKCS5Padding/PKCS7Padding/...

密钥长度直接决定加密强度,而工作模式和填充模式可以看成是对称加密算法的参数和格式选择。Java标准库提供的算法实现并不包括所有的工作模式和所有填充模式,但是通常我们只需要挑选常用的使用就可以了。

最后注意,DES算法由于密钥过短,可以在短时间内被暴力破解,所以现在已经不安全了。

使用AES加密

AES算法是目前应用最广泛的加密算法。我们先用ECB模式加密并解密:

import java.security.*;
import java.util.Base64;

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message: " + message);
        // 128位密钥 = 16 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes("UTF-8");
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes("UTF-8");
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8"));
    }

    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
        return cipher.doFinal(input);
    }

    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
        return cipher.doFinal(input);
    }
}

Java标准库提供的对称加密接口非常简单,使用时按以下步骤编写代码:

  1. 根据算法名称/工作模式/填充模式获取Cipher实例;
  2. 根据算法名称初始化一个SecretKey实例,密钥必须是指定长度;
  3. 使用SerectKey初始化Cipher实例,并设置加密或解密模式;
  4. 传入明文或密文,获得密文或明文。

ECB模式是最简单的AES加密模式,它只需要一个固定长度的密钥,固定的明文会生成固定的密文,这种一对一的加密方式会导致安全性降低,更好的方式是通过CBC模式,它需要一个随机数作为IV参数,这样对于同一份明文,每次生成的密文都不同:

import java.security.*;
import java.util.Base64;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message: " + message);
        // 256位密钥 = 32 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef1234567890abcdef".getBytes("UTF-8");
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes("UTF-8");
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8"));
    }

    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        // CBC模式需要生成一个16 bytes的initialization vector:
        SecureRandom sr = SecureRandom.getInstanceStrong();
        byte[] iv = sr.generateSeed(16);
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        byte[] data = cipher.doFinal(input);
        // IV不需要保密,把IV和密文一起返回:
        return join(iv, data);
    }

    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 把input分割成IV和密文:
        byte[] iv = new byte[16];
        byte[] data = new byte[input.length - 16];
        System.arraycopy(input, 0, iv, 0, 16);
        System.arraycopy(input, 16, data, 0, data.length);
        // 解密:
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    public static byte[] join(byte[] bs1, byte[] bs2) {
        byte[] r = new byte[bs1.length + bs2.length];
        System.arraycopy(bs1, 0, r, 0, bs1.length);
        System.arraycopy(bs2, 0, r, bs1.length, bs2.length);
        return r;
    }
}

在CBC模式下,需要一个随机生成的16字节IV参数,必须使用SecureRandom生成。因为多了一个IvParameterSpec实例,因此,初始化方法需要调用Cipher的一个重载方法并传入IvParameterSpec

观察输出,可以发现每次生成的IV不同,密文也不同。

小结

对称加密算法使用同一个密钥进行加密和解密,常用算法有DES、AES和IDEA等;

密钥长度由算法设计决定,AES的密钥长度是128/192/256位;

使用对称加密算法需要指定算法名称、工作模式和填充模式。


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