常用的加密算法DES3、AES & RSA

BUG弄潮儿

发布于 2024-05-11 13:42:43

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发布于 2024-05-11 13:42:43

0x01：DES3

DES3，通常指的是三重数据加密算法（Triple Data Encryption Algorithm，3DES）或称为Triple DES，是一种对称加密算法。它是基于原有的DES（Data Encryption Standard）算法扩展而来，通过三次DES加密来增强安全性。

基本原理

3DES通过使用三个不同的密钥（K1, K2, K3）进行三次加密操作，或者在某些情况下，为了减少密钥管理的复杂度，也可以使用两个密钥，其中一个密钥被重复使用两次（K1, K2=K1, K3）。它提供了两种操作模式：

三密钥模式（3-key，也称作3TDEA）
- 加密过程：C = E(K3, D(K2, E(K1, P)))
- 解密过程：P = D(K1, E(K2, D(K3, C)))
- 在这种模式下，使用三个不同的密钥，提供最大的安全性。
两密钥模式（2-key，也称作2TDEA或EDE）
- 加密过程：C = E(K2, D(K1, E(K2, P))) 或 C = E(K1, D(K2, E(K1, P)))
- 解密过程与加密过程相反，确保了加密和解密的可逆性。
- 在这种模式下，K1和K3是相同的，减少了密钥管理负担，但安全性略低于三密钥模式。

密钥长度

原始的DES算法使用56位密钥，因此3DES在三密钥模式下提供168位的密钥长度，但实际上，由于密钥之间存在一定的冗余，其有效密钥长度为112位。在两密钥模式下，有效密钥长度为112位，因为K1和K3相同。

安全性与应用

3DES最初设计来替代安全性受到质疑的DES算法。在一段时间内，3DES因其较高的安全性被广泛应用于金融行业、网络通信等领域。然而，随着时间推移和技术进步，特别是随着AES（Advanced Encryption Standard）的出现，3DES由于其较慢的处理速度和逐渐降低的安全边际（相比AES-256），已被许多新系统弃用或计划淘汰。

注意事项

性能: 由于执行三次加密操作，3DES比单次DES或AES等算法在计算上更为耗时。
安全性: 尽管3DES在历史上被认为是安全的，但现代安全标准和建议已经开始推荐使用AES等更现代、更快且更安全的算法。
合规性: 许多安全标准和法规已不再推荐或禁止使用3DES，特别是在需要高安全性的应用场景中。

综上所述，虽然3DES在过去是一种可靠的加密选择，但考虑到当前的安全标准和计算能力的发展，建议评估并转向更先进的加密算法，如AES。

0x02：AES

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一种对称加密算法，它被广泛用于各种安全领域，包括网络安全、文件加密、磁盘加密等。相比RSA这样的非对称加密算法，AES在加解密速度上有着显著的优势，特别适合于大量数据的快速加密处理。AES的设计基于字节代换、行移位、列混淆和轮密钥加等操作，其安全性依赖于密钥长度和算法的复杂性。

AES的特点

安全性：AES支持128、192和256位密钥长度，分别对应AES-128、AES-192、AES-196，其中AES-256提供了最高级别的安全性。
块大小：AES固定使用128位的数据块大小进行加密操作。
轮数：根据密钥长度不同，AES的加密轮数也不同，AES-128有10轮，AES-192有12轮，AES-256有14轮。
对称性：AES算法使用相同的密钥进行加密和解密，这要求密钥在通信双方之间安全地共享。

加密解密流程

AES加密和解密过程都包括几个主要步骤，如AddRoundKey（轮密钥加）、SubBytes（字节代换）、ShiftRows（行移位）、MixColumns（列混淆）。解密过程是加密过程的逆运算，除了在某些步骤上的顺序和操作略有不同（例如，MixColumns在解密时变为InvMixColumns）。

在Java中，可以使用javax.crypto包中的类来实现AES的加密和解密。以下是一个简单的AES-128加密解密示例：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Base64;

public class AESEncryptionExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String original = "Hello AES Encryption!";
        String key = "ThisIsASecretKey123456"; // 密钥需要是16字节，这里简化示例，实际应更随机

        SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), "AES");

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding"); // ECB模式不建议用于多块数据，仅作示例
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec);

        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(original.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        String encrypted = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
        System.out.println("Encrypted: " + encrypted);

        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encrypted));
        String decrypted = new String(decryptedBytes, StandardCharsets.UTF_8);
        System.out.println("Decrypted: " + decrypted);
    }
}

请注意，上述示例使用了ECB（Electronic Codebook）模式，这是一种最简单的加密模式，但不提供数据的扩散性，因此对于相同明文块会产生相同的密文块，安全性较低。在实际应用中，推荐使用CBC（Cipher Block Chaining）模式或者更安全的模式，并且考虑使用初始化向量（IV）以增强安全性。

0x03：RSA

RSA是一种非对称加密算法，由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman于1977年提出，也因此得名。RSA算法的安全性基于大数分解难题，即给定两个大素数p和q，它们的乘积n很容易计算得出，但反过来，给定n想要分解回p和q在计算上是非常困难的，特别是在n非常大的情况下。

RSA的基本原理和操作流程包括以下几个步骤：

1. 密钥生成

选择两个大素数 p 和 q。
计算它们的乘积 n = p * q，n 成为RSA公钥和私钥的一部分，同时也是加密和解密时的模数。
计算欧拉函数值 \(\phi(n) = (p-1)*(q-1)\)。
选取一个整数 e 作为公钥指数，要求 1<𝑒<𝜙(𝑛)

且 e 与 \(\phi(n)\) 互质。

计算私钥指数 d，满足 𝑑∗𝑒≡1mod 𝜙(𝑛)

。

2. 加密过程

假设Bob想向Alice发送一条消息 m，并且 m 必须小于 n。
Bob使用Alice公布的公钥 (n, e) 对消息 m 进行加密，加密后的密文 c 计算为 𝑐=𝑚𝑒mod 𝑛。

3. 解密过程

Alice收到密文 c 后，使用自己的私钥 (n, d) 进行解密，计算 𝑚=𝑐𝑑mod 𝑛

，从而恢复原始消息 m。

特点：

安全性：RSA的安全性依赖于大数分解的难度。
速度：RSA加密和解密的速度相对较慢，尤其是对于大消息，因此在实际应用中，RSA通常与对称加密算法结合使用，RSA用于安全地交换对称密钥，而对称密钥则用于大量数据的加解密。
用途：RSA广泛应用于数字签名、安全通信、身份验证等领域。

在Java中，可以使用java.security包中的类来实现RSA加密解密。以下是一个简单的示例：

import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.spec.RSAPublicKeySpec;
import javax.crypto.Cipher;

public class RSAExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        kpg.initialize(2048); // 指定密钥长度
        KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();
        PublicKey publicKey = kp.getPublic();
        PrivateKey privateKey = kp.getPrivate();

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");

        // 加密
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal("Hello RSA!".getBytes());
        System.out.println("Encrypted: " + new String(encryptedBytes));

        // 解密
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(encryptedBytes);
        System.out.println("Decrypted: " + new String(decryptedBytes));
    }
}

这个例子展示了如何生成RSA密钥对，并使用这对密钥进行加密和解密操作。注意，实际应用中应考虑填充模式、异常处理和安全性最佳实践。

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原始发表：2024-04-30，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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