常用加密算法的Java實(shí)現(xiàn)總結(jié)(二)
——對(duì)稱加密算法DES、3DES和AES
日期：2014/7/6
文：阿蜜果
1、對(duì)稱加密算法
1.1 定義
對(duì)稱加密算法是應(yīng)用較早的加密算法，技術(shù)成熟。在對(duì)稱加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)信方將明文（原始數(shù)據(jù)）和加密密鑰（mi yue）一起經(jīng)過特殊加密算法處理后，使其變成復(fù)雜的加密密文發(fā)送出去。收信方收到密文后，若想解讀原文，則需要使用加密用過的密鑰及相同算法的逆算法對(duì)密文進(jìn)行解密，才能使其恢復(fù)成可讀明文。在對(duì)稱加密算法中，使用的密鑰只有一個(gè)，發(fā)收信雙方都使用這個(gè)密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，這就要求解密方事先必須知道加密密鑰。
1.2 優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：算法公開、計(jì)算量小、加密速度快、加密效率高。
缺點(diǎn)：
（1）交易雙方都使用同樣鑰匙，安全性得不到保證。
（2）每對(duì)用戶每次使用對(duì)稱加密算法時(shí)，都需要使用其他人不知道的惟一鑰匙，這會(huì)使得發(fā)收信雙方所擁有的鑰匙數(shù)量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，密鑰管理成為用戶的負(fù)擔(dān)。對(duì)稱加密算法在分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上使用較為困難，主要是因?yàn)?/span>密鑰管理困難，使用成本較高。
1.3 常用對(duì)稱加密算法
基于“對(duì)稱密鑰”的加密算法主要有DES、3DES（TripleDES）、AES、RC2、RC4、RC5和Blowfish等。本文只介紹最常用的對(duì)稱加密算法DES、3DES（TripleDES）和AES。
2、DES
2.1 概述
DES算法全稱為Data Encryption Standard，即數(shù)據(jù)加密算法，它是IBM公司于1975年研究成功并公開發(fā)表的。DES算法的入口參數(shù)有三個(gè)：Key、Data、Mode。其中Key為8個(gè)字節(jié)共64位，是DES算法的工作密鑰；Data也為8個(gè)字節(jié)64位，是要被加密或被解密的數(shù)據(jù)；Mode為DES的工作方式,有兩種：加密或解密。
2.2 算法原理
DES算法把64位的明文輸入塊變?yōu)?/span>64位的密文輸出塊，它所使用的密鑰也是64位，其算法主要分為兩步：
（1）初始置換
其功能是把輸入的64位數(shù)據(jù)塊按位重新組合,并把輸出分為L0、R0兩部分，每部分各長(zhǎng)32位，其置換規(guī)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,最后一位是原來的第7位。L0、R0則是換位輸出后的兩部分，L0是輸出的左32位，R0是右32位，例：設(shè)置換前的輸入值為D1D2D3……D64，則經(jīng)過初始置換后的結(jié)果為:L0=D58D50……D8；R0=D57D49……D7。
（2）逆置換
經(jīng)過16次迭代運(yùn)算后，得到L16、R16,將此作為輸入，進(jìn)行逆置換，逆置換正好是初始置換的逆運(yùn)算，由此即得到密文輸出。
2.3 五種分組模式
2.3.1 EBC模式
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優(yōu)點(diǎn)：
1.簡(jiǎn)單；
2.有利于并行計(jì)算；
3.誤差不會(huì)被傳送；
缺點(diǎn)：
1.不能隱藏明文的模式；
2.可能對(duì)明文進(jìn)行主動(dòng)攻擊。
2.3.2 CBC模式
CBC模式又稱為密碼分組鏈接模式，示意圖如下：
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優(yōu)點(diǎn)：
1.不容易主動(dòng)攻擊,安全性好于ECB,適合傳輸長(zhǎng)度長(zhǎng)的報(bào)文,是SSL、IPSec的標(biāo)準(zhǔn)。
缺點(diǎn)：
1、不利于并行計(jì)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(fā)反饋模式，示意圖如下圖所示：
.jpg)
優(yōu)點(diǎn)：
1、隱藏了明文模式；
2、分組密碼轉(zhuǎn)化為流模式；
3、可以及時(shí)加密傳送小于分組的數(shù)據(jù)。
缺點(diǎn):
1、不利于并行計(jì)算；
2、誤差傳送：一個(gè)明文單元損壞影響多個(gè)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：
.jpg)
優(yōu)點(diǎn)：
1、隱藏了明文模式；
2、分組密碼轉(zhuǎn)化為流模式；
3、可以及時(shí)加密傳送小于分組的數(shù)據(jù)。
缺點(diǎn)：
1、不利于并行計(jì)算；
2、對(duì)明文的主動(dòng)攻擊是可能的；
3、誤差傳送：一個(gè)明文單元損壞影響多個(gè)單元。
2.3.5 CTR模式
計(jì)數(shù)模式（CTR模式）加密是對(duì)一系列輸入數(shù)據(jù)塊(稱為計(jì)數(shù))進(jìn)行加密，產(chǎn)生一系列的輸出塊，輸出塊與明文異或得到密文。對(duì)于最后的數(shù)據(jù)塊，可能是長(zhǎng)u位的局部數(shù)據(jù)塊，這u位就將用于異或操作，而剩下的b-u位將被丟棄（b表示塊的長(zhǎng)度）。CTR解密類似。這一系列的計(jì)數(shù)必須互不相同的。假定計(jì)數(shù)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(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 AES CTR的模式結(jié)構(gòu)
Fig 5 Structure of AES CTR Mode
加密方式：密碼算法產(chǎn)生一個(gè)16 字節(jié)的偽隨機(jī)碼塊流，偽隨機(jī)碼塊與輸入的明文進(jìn)行異或運(yùn)算后產(chǎn)生密文輸出。密文與同樣的偽隨機(jī)碼進(jìn)行異或運(yùn)算后可以重產(chǎn)生明文。
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CTR 模式被廣泛用于 ATM 網(wǎng)絡(luò)安全和 IPSec應(yīng)用中，相對(duì)于其它模式而言，CRT模式具有如下特點(diǎn)：
■硬件效率：允許同時(shí)處理多塊明文 / 密文。
■ 軟件效率：允許并行計(jì)算，可以很好地利用 CPU 流水等并行技術(shù)。
■ 預(yù)處理：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存儲(chǔ)器，加密算法將僅僅是一系列異或運(yùn)算，這將極大地提高吞吐量。
■ 隨機(jī)訪問：第 i 塊密文的解密不依賴于第 i-1 塊密文，提供很高的隨機(jī)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(jiǎn)單性：與其它模式不同，CTR模式僅要求實(shí)現(xiàn)加密算法，但不要求實(shí)現(xiàn)解密算法。對(duì)于 AES 等加/解密本質(zhì)上不同的算法來說，這種簡(jiǎn)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(jìn)行DES、3DES和AES三種對(duì)稱加密算法時(shí)，常采用的是NoPadding（不填充）、Zeros填充（0填充）、PKCS5Padding填充。
2.4.1 ZerosPadding
全部填充為0的字節(jié)，結(jié)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(gè)填充的字節(jié)都記錄了填充的總字節(jié)數(shù)，結(jié)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(shí)現(xiàn)
DES加密算法（ECB、無填充）的Java實(shí)現(xiàn)如下所示：
package amigo.endecrypt;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.Key;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
public class DESUtil 
{
//算法名稱
public static final String KEY_ALGORITHM = "DES";
//算法名稱/加密模式/填充方式
//DES共有四種工作模式-->>ECB：電子密碼本模式、CBC：加密分組鏈接模式、CFB：加密反饋模式、OFB：輸出反饋模式
public static final String CIPHER_ALGORITHM = "DES/ECB/NoPadding";
/** *//**
*
* 生成密鑰key對(duì)象
* @param KeyStr 密鑰字符串
* @return 密鑰對(duì)象
* @throws InvalidKeyException
* @throws NoSuchAlgorithmException
* @throws InvalidKeySpecException
* @throws Exception
*/
private static SecretKey keyGenerator(String keyStr) throws Exception {
byte input[] = HexString2Bytes(keyStr);
DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(input);
//創(chuàng)建一個(gè)密匙工廠，然后用它把DESKeySpec轉(zhuǎn)換成
SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);
return securekey;
}
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(jìn)制字符串到字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)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;
}
/** *//**
* 加密數(shù)據(jù)
* @param data 待加密數(shù)據(jù)
* @param key 密鑰
* @return 加密后的數(shù)據(jù)
*/
public static String encrypt(String data, String key) throws Exception {
Key deskey = keyGenerator(key);
// 實(shí)例化Cipher對(duì)象，它用于完成實(shí)際的加密操作
Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
SecureRandom random = new SecureRandom();
// 初始化Cipher對(duì)象，設(shè)置為加密模式
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey, random);
byte[] results = cipher.doFinal(data.getBytes());
// 該部分是為了與加解密在線測(cè)試網(wǎng)站（http://tripledes.online-domain-tools.com/）的十六進(jìn)制結(jié)果進(jìn)行核對(duì)
for (int i = 0; i < results.length; i++) {
System.out.print(results[i] + " ");
}
System.out.println();
// 執(zhí)行加密操作。加密后的結(jié)果通常都會(huì)用Base64編碼進(jìn)行傳輸
return Base64.encodeBase64String(results);
}
/** *//**
* 解密數(shù)據(jù)
* @param data 待解密數(shù)據(jù)
* @param key 密鑰
* @return 解密后的數(shù)據(jù)
*/
public static String decrypt(String data, String key) throws Exception {
Key deskey = keyGenerator(key);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
//初始化Cipher對(duì)象，設(shè)置為解密模式
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey);
// 執(zhí)行解密操作
return new String(cipher.doFinal(Base64.decodeBase64(data)));
}
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("加密后: " + encryptData);
String decryptData = decrypt(encryptData, key);
System.out.println("解密后: " + decryptData);
}
} 測(cè)試結(jié)果：
原文: amigoxie
97 -15 32 -117 -57 -42 -90 75
加密后: YfEgi8fWpks=
解密后: amigoxie
為了核對(duì)測(cè)試結(jié)果是否正確，需要將結(jié)果與 “加密解密在線測(cè)試網(wǎng)站”（http://tripledes.online-domain-tools.com/）進(jìn)行核對(duì)，在該網(wǎng)站的測(cè)試結(jié)果如下：
.jpg)
左側(cè)下方顯示的加密結(jié)果“61 f1 20 8b c7 d6 a6 4b”是返回的16進(jìn)制結(jié)果。與我們打印出的十進(jìn)制“97 -15 32 -117 -57 -42 -90 75”是相對(duì)應(yīng)的。
需要注意的是這個(gè)網(wǎng)站采用的填充方式是NoPadding，如果我們程序中采用PKCS5Padding或PKCS7Padding填充方式，這些填充方式在不足位時(shí)會(huì)進(jìn)行填充，所以會(huì)跟我們?cè)谠摐y(cè)試網(wǎng)站看到的后面部分不一致。
另外Java的byte的范圍是-128-127，而不是0～255，因此超過十六進(jìn)制7f（對(duì)應(yīng)127）的數(shù)在Java中會(huì)轉(zhuǎn)換為負(fù)數(shù)。
【說明】DESUtil類中引入的org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider類在commons-codec-1.6.jar包中。
3、3DES
3.1 概述
3DES（或稱為Triple DES）是三重數(shù)據(jù)加密算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）塊密碼的通稱。它相當(dāng)于是對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊應(yīng)用三次DES加密算法。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的增強(qiáng)，原版DES密碼的密鑰長(zhǎng)度變得容易被暴力破解；3DES即是設(shè)計(jì)用來提供一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，即通過增加DES的密鑰長(zhǎng)度來避免類似的攻擊，而不是設(shè)計(jì)一種全新的塊密碼算法。
3.2 算法原理
使用3條56位的密鑰對(duì) 數(shù)據(jù)進(jìn)行三次加密。3DES（即Triple DES）是DES向AES過渡的加密算法（1999年，NIST將3-DES指定為過渡的加密標(biāo)準(zhǔn)）。
其具體實(shí)現(xiàn)如下：設(shè)Ek()和Dk()代表DES算法的加密和解密過程，K代表DES算法使用的密鑰，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(shí)現(xiàn)
3DES的在Java的實(shí)現(xiàn)與DES類似，如下代碼為3DES加密算法、CBC模式、NoPadding填充方式的加密解密結(jié)果，參考代碼如下所示：
package amigo.endecrypt;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.Key;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.Security;
import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESedeKeySpec;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
public class ThreeDESUtil {
// 算法名稱
public static final String KEY_ALGORITHM = "desede";
// 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 密鑰
* @param keyiv IV
* @param data 明文
* @return Base64編碼的密文
* @throws Exception
*/
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;
}
/** *//**
*
* 生成密鑰key對(duì)象
* @param KeyStr 密鑰字符串
* @return 密鑰對(duì)象
* @throws InvalidKeyException
* @throws NoSuchAlgorithmException
* @throws InvalidKeySpecException
* @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(jìn)制字符串到字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)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 密鑰
* @param keyiv IV
* @param data Base64編碼的密文
* @return 明文
* @throws Exception
*/
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"));
}
}
測(cè)試結(jié)果如下所示：
data.length=8
CBC加密解密
-32 6 108 42 24 -112 -66 -34
4AZsKhiQvt4=
amigoxie
加密解密在線測(cè)試網(wǎng)站的3DES可選擇CBC模式，無填充方式選項(xiàng)，采用NoPadding填充方式，加密結(jié)果如下所示：
.jpg)
ThreeDESUtil的測(cè)試代碼中打印出的加密后的byte數(shù)組為：“-32 6 108 42 24 -112 -66 -34”，正是在線測(cè)試網(wǎng)站返回的十六進(jìn)制“e0 06 6c 2a 18 90 be de”在Java中的十進(jìn)制表示（Java中byte范圍為：-128～127，所以超過127的數(shù)會(huì)被轉(zhuǎn)換成負(fù)數(shù)）。
【說明】ThreeDESUtil類中引入的org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider類在bcprov-jdk16-1.46.jar包中。
4、AES加密
待寫。
5、參考文檔
《對(duì)稱加密算法_百度百科》：http://baike.baidu.com/view/7591.htm?fr=aladdin
《DES_百度百科》：http://baike.baidu.com/view/7510.htm?fr=aladdin
《加密解密在線測(cè)試網(wǎng)站》：http://tripledes.online-domain-tools.com/
《分組對(duì)稱加密模式:ECB/CBC/CFB/OFB/CTR》：
http://blog.sina.com.cn/s/blog_78efec1501015zfn.html
《密碼學(xué) 數(shù)據(jù)塊填充模式》：http://laokaddk.blog.51cto.com/368606/461279/
《3DES_百度百科》：
http://baike.baidu.com/link?url=JIAkaazhQoWw1EattGwiAoC2SZjxmkjx-9UTlZGbyTLsDDNizQnElntZSooKckj_
posted on 2014-07-06 21:13
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