JAVA 常用的加密演算法之對稱加密DES、3DES和AES

阿新 • • 發佈：2019-01-29

1、對稱加密演算法

1.1 定義

對稱加密演算法是應用較早的加密演算法，技術成熟。在對稱加密演算法中，資料發信方將明文（原始資料）和加密金鑰一起經過特殊加密演算法處理後，使其變成複雜的加密密文傳送出去。收信方收到密文後，若想解讀原文，則需要使用加密用過的金鑰及相同演算法的逆演算法對密文進行解密，才能使其恢復成可讀明文。在對稱加密演算法中，使用的金鑰只有一個，發收信雙方都使用這個金鑰對資料進行加密和解密，這就要求解密方事先必須知道加密金鑰。

1.2 優缺點

優點：演算法公開、計算量小、加密速度快、加密效率高。

缺點：

（1）交易雙方都使用同樣鑰匙，安全性得不到保證。

（2）每對使用者每次使用對稱加密演算法時，都需要使用其他人不知道的惟一鑰匙，這會使得發收信雙方所擁有的鑰匙數量呈幾何級數增長，金鑰管理成為使用者的負擔。對稱加密演算法在分散式網路系統上使用較為困難，主要是因為金鑰管理困難，使用成本較高。

1.3 常用對稱加密演算法

基於“對稱金鑰”的加密演算法主要有DES、3DES（TripleDES）、AES、RC2、RC4、RC5和Blowfish等。本文只介紹最常用的對稱加密演算法DES、3DES（TripleDES）和AES。

2、DES

2.1 概述

DES演算法全稱為Data Encryption Standard，即資料加密演算法，它是IBM公司於1975年研究成功並公開發表的。DES演算法的入口引數有三個：Key、Data、Mode。其中Key為8個位元組共64位，是DES演算法的工作金鑰；Data也為8個位元組64位，是要被加密或被解密的資料；Mode為DES的工作方式,有兩種：加密或解密。

2.2 演算法原理

DES演算法把64位的明文輸入塊變為64位的密文輸出塊，它所使用的金鑰也是64位，其演算法主要分為兩步：

（1）初始置換

其功能是把輸入的64位資料塊按位重新組合,並把輸出分為L0、R0兩部分，每部分各長32位，其置換規則為將輸入的第58位換到第一位，第50位換到第2位……依此類推,最後一位是原來的第7位。L0、R0則是換位輸出後的兩部分，L0是輸出的左32位，R0是右32位，例：設定換前的輸入值為D1D2D3……D64，則經過初始置換後的結果為:L0=D58D50……D8；R0=D57D49……D7。

（2）逆置換

經過16次迭代運算後，得到L16、R16,將此作為輸入，進行逆置換，逆置換正好是初始置換的逆運算，由此即得到密文輸出。

2.3 五種分組模式

2.3.1 EBC模式

這裡寫圖片描述

優點：

1.簡單；

2.有利於平行計算；

3.誤差不會被傳送；

缺點：

1.不能隱藏明文的模式；

2.可能對明文進行主動攻擊。

2.3.2 CBC模式

CBC模式又稱為密碼分組連結模式

這裡寫圖片描述

優點：

1.不容易主動攻擊,安全性好於ECB,適合傳輸長度長的報文,是SSL、IPSec的標準。

缺點：

1、不利於平行計算；  
2、誤差傳遞； 
3、需要初始化向量IV。

2.3.3 CFB模式

CFB模式又稱為密碼發反饋模式，示意圖如下圖所示：

這裡寫圖片描述

優點：

1、隱藏了明文模式；  
2、分組密碼轉化為流模式；   
3、可以及時加密傳送小於分組的資料。

缺點:

1、不利於平行計算；  
2、誤差傳送：一個明文單元損壞影響多個單元；  
3、唯一的IV。

2.3.4 OFB模式

OFB模式又稱輸出反饋模式，示意圖所下圖所示：

這裡寫圖片描述

優點：

1、隱藏了明文模式；  
2、分組密碼轉化為流模式；   
3、可以及時加密傳送小於分組的資料。

缺點：

1、不利於平行計算；  
2、對明文的主動攻擊是可能的； 
3、誤差傳送：一個明文單元損壞影響多個單元。

2.3.5 CTR模式

計數模式（CTR模式）加密是對一系列輸入資料塊(稱為計數)進行加密，產生一系列的輸出塊，輸出塊與明文異或得到密文。對於最後的資料塊，可能是長u位的區域性資料塊，這u位就將用於異或操作，而剩下的b-u位將被丟棄（b表示塊的長度）。CTR解密類似。這一系列的計數必須互不相同的。假定計數表示為T1, T2, …, Tn。CTR模式可定義如下：

CTR加密公式如下：

Cj = Pj XOR Ek(Tj)

C*n = P*n XOR MSBu(Ek(Tn)) j = 1，2… n-1;

CTR解密公式如下：

Pj = Cj XOR Ek(Tj)

P*n = C*n XOR MSBu(Ek(Tn)) j = 1，2 … n-1;

AES CTR模式的結構如圖5所示。

圖5 AES CTR的模式結構

Fig 5 Structure of AES CTR Mode

加密方式：密碼演算法產生一個16 位元組的偽隨機碼塊流，偽隨機碼塊與輸入的明文進行異或運算後產生密文輸出。密文與同樣的偽隨機碼進行異或運算後可以重產生明文。

這裡寫圖片描述

CTR 模式被廣泛用於 ATM 網路安全和 IPSec應用中，相對於其它模式而言，CRT模式具有如下特點：

■硬體效率：允許同時處理多塊明文 / 密文。

■ 軟體效率：允許平行計算，可以很好地利用 CPU 流水等並行技術。

■ 預處理：演算法和加密盒的輸出不依靠明文和密文的輸入，因此如果有足夠的保證安全的儲存器，加密演算法將僅僅是一系列異或運算，這將極大地提高吞吐量。

■ 隨機訪問：第 i 塊密文的解密不依賴於第 i-1 塊密文，提供很高的隨機訪問能力

■ 可證明的安全性：能夠證明 CTR 至少和其他模式一樣安全（CBC, CFB, OFB, …）

■ 簡單性：與其它模式不同，CTR模式僅要求實現加密演算法，但不要求實現解密演算法。對於 AES 等加/解密本質上不同的演算法來說，這種簡化是巨大的。

■ 無填充，可以高效地作為流式加密使用。

2.4 常用的填充方式

在Java進行DES、3DES和AES三種對稱加密演算法時，常採用的是NoPadding（不填充）、Zeros填充（0填充）、PKCS5Padding填充。

2.4.1 ZerosPadding

全部填充為0的位元組，結果如下：

   F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8   //第一塊
   F9 00 00 00 00 00 00 00 //第二塊

2.4.2 PKCS5Padding

每個填充的位元組都記錄了填充的總位元組數，結果如下：

 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8   //第一塊    
 F9 07 07 07 07 07 07 07 //第二塊

2.5 Java中的DES實現

DES加密演算法（ECB、無填充）的Java實現如下所示：

package encrypt.des;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
import java.security.Key;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;

/**
 * DESUtil
 * Created by heqianqian on 2017/5/17.
 */
public class DESUtil {
    //演算法名稱
    public static final String KEY_ALGORITHM = "DES";
    //演算法名稱/加密模式/填充模式
    //DES共有四種工作模式-->>ECB：電子密碼本模式、CBC：加密分組連結模式、CFB：加密反饋模式、OFB：輸出反饋模式
    public static final String CIPHER_ALGORITHM = "DES/ECB/NOPadding";

    /**
     * 生成金鑰key物件
     */
    private static SecretKey keyGenerator(String keyStr) throws Exception {
        byte[] input = HexString2Bytes(keyStr);
        DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(input);
        //建立一個金鑰工廠 然後用它轉換DESKeySpec
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
        return keyFactory.generateSecret(desKeySpec);
    }

    /**
     * 加密資料
     */
    public static String encrypt(String data, String key) throws Exception {
        Key desKey = keyGenerator(key);
        //例項化Cipher物件，它用於完成實際的加密操作
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
        SecureRandom random = new SecureRandom();
        //初始化Cipher物件，設定為加密模式
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, desKey, random);
        byte[] results = cipher.doFinal(data.getBytes());
        // 該部分是為了與加解密線上測試網站（http://tripledes.online-domain-tools.com/）的十六進位制結果進行核對
        for (int i = 0; i < results.length; i++) {
            System.out.print(results[i] + " ");
        }
        System.out.println();
        // 執行加密操作。加密後的結果通常都會用Base64編碼進行傳輸
        return Base64.getEncoder().encodeToString(results);
    }

    /**
     * 解密資料
     */
    public static String decrypt(String data, String key) throws Exception {
        Key desKey = keyGenerator(key);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
        //初始化Cipher物件，設定為解密模式
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, desKey);
        //執行解密操作
        return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(data)));
    }

    // 從十六進位制字串到位元組陣列轉換
    public static byte[] HexString2Bytes(String hexstr) {
        byte[] b = new byte[hexstr.length() / 2];
        int j = 0;
        for (int i = 0; i < b.length; i++) {
            char c0 = hexstr.charAt(j++);
            char c1 = hexstr.charAt(j++);
            b[i] = (byte) ((parse(c0) << 4) | parse(c1));
        }
        return b;
    }

    private static int parse(char c) {
        if (c >= 'a') return (c - 'a' + 10) & 0x0f;
        if (c >= 'A') return (c - 'A' + 10) & 0x0f;
        return (c - '0') & 0x0f;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String source = "amigoxie";
        System.out.println("原文: " + source);
        String key = "A1B2C3D4E5F60708";
        String encryptData = encrypt(source, key);
        System.out.println("加密後: " + encryptData);
        String decryptData = decrypt(encryptData, key);
        System.out.println("解密後: " + decryptData);
    }
}

3、3DES

3.1 概述

3DES（或稱為Triple DES）是三重資料加密演算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）塊密碼的通稱。它相當於是對每個資料塊應用三次DES加密演算法。由於計算機運算能力的增強，原版DES密碼的金鑰長度變得容易被暴力破解；3DES即是設計用來提供一種相對簡單的方法，即通過增加DES的金鑰長度來避免類似的攻擊，而不是設計一種全新的塊密碼演算法。

3.2 演算法原理

使用3條56位的金鑰對資料進行三次加密。3DES（即Triple DES）是DES向AES過渡的加密演算法（1999年，NIST將3-DES指定為過渡的加密標準）。

其具體實現如下：設Ek()和Dk()代表DES演算法的加密和解密過程，K代表DES演算法使用的金鑰，P代表明文，C代表密文，這樣：

3DES加密過程為：C=Ek3(Dk2(Ek1(P)))

3DES解密過程為：P=Dk1(EK2(Dk3(C)))

3.3 Java中的3DES實現

3DES的在Java的實現與DES類似，如下程式碼為3DES加密演算法、CBC模式、NoPadding填充方式的加密解密結果，參考程式碼如下所示：

package encrypt.des;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.Key;
import java.security.Security;

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESedeKeySpec;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;

/**
 * ThreeDESUtil
 * Created by heqianqian on 2017/5/17.
 */
public class ThreeDESUtil {
    //演算法名稱
    public static final String KEY_ALGORITHM = "desede";
    // 演算法名稱/加密模式/填充方式
    public static final String CIPHER_ALGORITHM = "desede/CBC/NoPadding";

    /**
     * CBC加密
     *
     * @param key   金鑰
     * @param keyiv IV
     * @param data  明晚
     * @return BASE64編碼的密文
     */
    public static byte[] des3EncodeCBC(byte[] key, byte[] keyiv, byte[] data) throws Exception {
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
        Key desKey = keyGenerator(new String(key));
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
        IvParameterSpec ips = new IvParameterSpec(keyiv);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, desKey, ips);
        byte[] bOut = cipher.doFinal(data);
        for (int k = 0; k < bOut.length; k++) {
            System.out.print(bOut[k] + " ");
        }
        System.out.println("");
        return bOut;
    }



    /**
     * 生成金鑰key物件
     *
     * @param keyStr 金鑰字串
     * @return 金鑰物件
     * @throws Exception
     */
    private static Key keyGenerator(String keyStr) throws Exception {
        byte input[] = HexString2Bytes(keyStr);
        DESedeKeySpec KeySpec = new DESedeKeySpec(input);
        SecretKeyFactory KeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        return ((Key) (KeyFactory.generateSecret(((java.security.spec.KeySpec) (KeySpec)))));
    }

    private static int parse(char c) {
        if (c >= 'a') return (c - 'a' + 10) & 0x0f;
        if (c >= 'A') return (c - 'A' + 10) & 0x0f;
        return (c - '0') & 0x0f;
    }

    // 從十六進位制字串到位元組陣列轉換
    public static byte[] HexString2Bytes(String hexstr) {
        byte[] b = new byte[hexstr.length() / 2];
        int j = 0;
        for (int i = 0; i < b.length; i++) {
            char c0 = hexstr.charAt(j++);
            char c1 = hexstr.charAt(j++);
            b[i] = (byte) ((parse(c0) << 4) | parse(c1));
        }
        return b;
    }

    /**
     * CBC解密
     * @param key 金鑰
     * @param keyiv IV
     * @param data Base64編碼的密文
     * @return 明文
     */
    public static byte[] des3DecodeCBC(byte[] key, byte[] keyiv, byte[] data) throws Exception {
        Key deskey = keyGenerator(new String(key));
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
        IvParameterSpec ips = new IvParameterSpec(keyiv);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey, ips);
        byte[] bOut = cipher.doFinal(data);
        return bOut;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] key = "6C4E60E55552386C759569836DC0F83869836DC0F838C0F7".getBytes();
        byte[] keyiv = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 };
        byte[] data = "amigoxie".getBytes("UTF-8");
        System.out.println("data.length=" + data.length);
        System.out.println("CBC加密解密");
        byte[] str5 = des3EncodeCBC(key, keyiv, data);
        System.out.println(new sun.misc.BASE64Encoder().encode(str5));

        byte[] str6 = des3DecodeCBC(key, keyiv, str5);
        System.out.println(new String(str6, "UTF-8"));
    }
}

JAVA 常用的加密演算法之對稱加密DES、3DES和AES

1、對稱加密演算法

1.1 定義

1.2 優缺點

1.3 常用對稱加密演算法

2、DES

2.1 概述

2.2 演算法原理

（1）初始置換

（2）逆置換

2.3 五種分組模式

2.3.1 EBC模式

2.3.2 CBC模式

2.3.3 CFB模式

2.3.4 OFB模式

2.3.5 CTR模式

2.4 常用的填充方式

2.4.1 ZerosPadding

2.4.2 PKCS5Padding

2.5 Java中的DES實現

3、3DES

3.1 概述

3.2 演算法原理

3.3 Java中的3DES實現

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