加密与安全_探索对称加密算法

小小工匠

发布于 2024-05-26 13:14:54

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发布于 2024-05-26 13:14:54

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概述

对称加密算法是一种加密技术，使用相同的密钥来进行加密和解密数据。在这种算法中，发送方使用密钥将明文（未加密的数据）转换为密文（加密的数据），而接收方使用相同的密钥将密文还原为明文。

对称加密算法的安全性依赖于密钥的保密性，因为任何持有相同密钥的人都能够解密数据。

常见的对称加密算法包括AES（高级加密标准）和DES（数据加密标准）。虽然对称加密算法在性能上通常比非对称加密算法更高效，但在密钥管理和分发方面存在挑战。

通俗来讲，可以这么理解：对称加密算法就像是一把钥匙可以打开一个锁。在这里，你有一个钥匙（密钥），用它来锁住（加密）你的信息，然后你可以用同样的钥匙（密钥）来解锁（解密）它。这意味着发送方和接收方都使用相同的密钥来加密和解密信息。

常用的对称加密算法

常用的对称加密算法包括：

AES（Advanced Encryption Standard）：这是目前最常用的对称加密算法之一。它使用128、192或256位密钥来加密数据，并已被广泛采用于许多安全应用中。
DES（Data Encryption Standard）：虽然已被AES所取代，但仍然在一些遗留系统中使用。DES使用56位密钥对数据进行加密。
3DES（Triple Data Encryption Standard）：3DES是DES的改进版本，它对数据应用三次DES算法，提高了安全性。但由于计算成本高昂，现在已经不太常用。
Blowfish：这是一个可扩展的对称加密算法，可以使用变长密钥，从32位到448位。它曾经很流行，但由于一些安全性方面的考虑，现在使用较少。
RC4（Rivest Cipher 4）：尽管曾被广泛使用，但由于存在一些严重的安全漏洞，现在已经不建议使用。

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);

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);

加密和解密确实可以被视为类似上面的函数，但实际上，它们可能会更为复杂一些，尤其是在实现对称加密算法时。
在使用对称加密算法时，这两个函数通常被称为加密函数和解密函数。例如，在使用AES算法时，加密函数会接收密钥（key）和明文（message），然后输出密文（ciphertext）。而解密函数则接收密钥（key）和密文（ciphertext），然后输出明文（message）

算法	密钥长度	工作模式	填充模式
AES	128/192/256	ECB/CBC/PCBC/CTR/…	NoPadding/PKCS5Padding/PKCS7Padding/…
DES	56/64	ECB/CBC/PCBC/CTR/…	NoPadding/PKCS5Padding/…
…	…	…	…

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。

这些对称加密算法在不同的场景中都有各自的优缺点，选择合适的算法取决于安全性需求、性能和应用环境。AES通常被认为是最安全和高效的对称加密算法之一，因此在许多情况下被首选使用。

AES

AES算法是目前应用最广泛的加密算法。

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/javax/crypto/Cipher.html

ECB模式

ECB : Electronic codebook, 电子密码本. 需要加密的消息按照块密码的块大小被分为数个块，并对每个块进行独立加密

CODE

先用ECB模式加密并解密. 代码如下

package com.artisan.securityalgjava.aes;

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

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

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public class AesECBExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, Artisan!";
        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"));
    }

    // 加密方法
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 创建加密对象
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        // 创建密钥规范
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        // 初始化加密对象
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
        // 执行加密操作
        return cipher.doFinal(input);
    }

    // 解密方法
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 创建解密对象
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        // 创建密钥规范
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        // 初始化解密对象
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
        // 执行解密操作
        return cipher.doFinal(input);
    }
}

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

优点 : 可以并行处理数据
缺点 : 同样的原文生成同样的密文, 不能很好的保护数据
同时加密，原文是一样的，加密出来的密文也是一样的

CBC模式 (推荐)

CBC : Cipher-block chaining, 密码块链接. 每个明文块先与前一个密文块进行异或后，再进行加密。在这种方法中，每个密文块都依赖于它前面的所有明文块.

CODE

package com.artisan.securityalgjava.aes;

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

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

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 * @desc: AES CBC模式加解密示例
 */
public class AesCBCExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, Artisan!";
        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
     * @param key
     * @param input
     * @return
     * @throws GeneralSecurityException
     */
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 创建AES加密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        // 创建密钥规范
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        // CBC模式需要生成一个16 bytes的初始化向量
        SecureRandom sr = SecureRandom.getInstanceStrong();
        byte[] iv = sr.generateSeed(16);
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv);
        // 初始化加密器
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        // 执行加密操作
        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
     * @param key
     * @param input
     * @return
     * @throws GeneralSecurityException
     */
    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);
        // 创建AES解密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        // 创建密钥规范
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv);
        // 初始化解密器
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        // 执行解密操作
        return cipher.doFinal(data);
    }

    /**
     * 拼接两个字节数组
     * @param bs1
     * @param bs2
     * @return
     */
    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, 如下图所示

代码实现了AES CBC模式的加密和解密功能。在加密过程中，生成了一个16字节的初始化向量（IV），在解密时使用了这个IV来确保安全性。

因此，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 .

优点 : 同样的原文生成的密文不一样
缺点 : 串行处理数据.

ECB VS CBC

AES有几种不同的模式，其中最常见的两种是ECB（Electronic Codebook）模式和CBC（Cipher Block Chaining）模式。

ECB模式（电子密码本模式）：

特点：
- 将明文分成块，每个块使用相同的密钥进行加密。
- 相同的明文块在加密后会得到相同的密文块。
- 每个块的加密是独立的，不受其他块的影响。
优点：
- 简单，容易并行化处理。
- 适用于对称加密需求较简单的场景。
缺点：
- 容易受到重放攻击的影响，因为相同的明文块会产生相同的密文块，没有隐藏明文块之间的关系。
- 不适合加密大量数据或需要保护隐私的数据，因为无法隐藏明文块之间的模式。

CBC模式（密码块链接模式）：

特点：
- 在加密前，会对明文块进行异或运算，并与前一个密文块进行混合，然后再加密。
- 需要一个初始化向量（IV）来增加随机性，防止重放攻击。
- 密文块的加密依赖于前一个密文块，因此密文块之间存在依赖关系。
优点：
- 对于相同的明文块，使用不同的IV会产生不同的密文块，增加了安全性。
- 可以加密大量数据，并且可以隐藏明文块之间的模式。
缺点：
- 加密速度较ECB模式慢，因为需要依赖前一个密文块。
- 不太容易并行化处理，因为每个块的加密都依赖于前一个块的加密结果。

综上所述，ECB模式简单快速，适合简单的加密需求，但安全性较差，不适合加密大量数据或需要保护隐私的数据。而CBC模式相对更安全，能够隐藏明文块之间的模式，适合加密大量数据或需要保护隐私的数据，但加密速度较慢。

填充模式

填充模式（Padding）在加密算法中用于处理数据长度不符合块处理需求的情况。常见的填充模式有NoPadding和PKCS5Padding。

NoPadding：不填充。在这种模式下，如果原文长度不符合块处理需求，就会报错。例如，在DES加密算法下，要求原文长度必须是8字节的整数倍，在AES加密算法下，要求原文长度必须是16字节的整数倍。如果不满足这些条件，就会出现异常。
PKCS5Padding：在数据块大小为8位时，使用PKCS5Padding填充方式。如果原文长度不足8位，则在原文末尾填充相应数量的字节，使得原文长度等于8的整数倍。填充的字节值通常等于需要填充的数量，例如，如果原文长度不足8字节，则填充1个字节的值为0x01，如果原文长度不足16字节，则填充2个字节的值为0x02，以此类推。

加密模式和填充模式

AES/CBC/NoPadding (128)
AES/CBC/PKCS5Padding (128)
AES/ECB/NoPadding (128)
AES/ECB/PKCS5Padding (128)
DES/CBC/NoPadding (56)
DES/CBC/PKCS5Padding (56)
DES/ECB/NoPadding (56)
DES/ECB/PKCS5Padding (56)
DESede/CBC/NoPadding (168)
DESede/CBC/PKCS5Padding (168)
DESede/ECB/NoPadding (168)
DESede/ECB/PKCS5Padding (168)
RSA/ECB/PKCS1Padding (1024, 2048)
RSA/ECB/OAEPWithSHA-1AndMGF1Padding (1024, 2048)
RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding (1024, 2048)

默认情况下, 加密模式和填充模式为 : ECB/PKCS5Padding
如果使用CBC模式, 在初始化Cipher对象时, 需要增加参数, 初始化向量IV : IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(key.getBytes());

附：AES工具类

package com.artisan.securityalgjava.aes;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.PBEKeySpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.spec.KeySpec;
import java.util.Arrays;
import java.util.Base64;

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 * @desc: AES加密解密工具类, 提供了AES加密解密的功能，使用了CBC模式和PBKDF2算法生成密钥
 */
public class AESCipher {

    /**
     * 密钥生成算法
     */
    private static final String SECRET_KEY_ALGORITHM = "PBKDF2WithHmacSHA256";
    /**
     * 加密算法
     */
    private static final String ENCRYPTION_ALGORITHM = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    /**
     * 密钥长度
     */
    private static final int KEY_SIZE = 256;
    /**
     * 迭代次数
     */
    private static final int ITERATION_COUNT = 65536;
    /**
     * 初始化向量长度
     */
    private static final int IV_SIZE = 16;

    /**
     * 生成密钥
     *
     * @param password
     * @param salt
     * @return
     * @throws Exception
     */
    private static SecretKeySpec generateKey(String password, byte[] salt) throws Exception {
        SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance(SECRET_KEY_ALGORITHM);
        KeySpec spec = new PBEKeySpec(password.toCharArray(), salt, ITERATION_COUNT, KEY_SIZE);
        SecretKey tmp = factory.generateSecret(spec);
        return new SecretKeySpec(tmp.getEncoded(), "AES");
    }

    /**
     * 加密
     *
     * @param plaintext
     * @param password
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String encrypt(String plaintext, String password) throws Exception {
        // 生成盐
        byte[] salt = new byte[16];
        // 生成初始化向量
        byte[] iv = new byte[IV_SIZE];
        byte[] encryptedBytes;

        // 生成盐和初始化向量
        SecureRandom random = new SecureRandom();
        random.nextBytes(salt);
        random.nextBytes(iv);

        // 生成密钥
        SecretKeySpec keySpec = generateKey(password, salt);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ENCRYPTION_ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, new IvParameterSpec(iv));

        // 执行加密操作
        encryptedBytes = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());

        // 将盐、初始化向量和密文拼接并返回Base64编码字符串
        byte[] combined = new byte[salt.length + iv.length + encryptedBytes.length];
        System.arraycopy(salt, 0, combined, 0, salt.length);
        System.arraycopy(iv, 0, combined, salt.length, iv.length);
        System.arraycopy(encryptedBytes, 0, combined, salt.length + iv.length, encryptedBytes.length);

        return Base64.getEncoder().encodeToString(combined);
    }

    /**
     * 解密
     *
     * @param encryptedText
     * @param password
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String decrypt(String encryptedText, String password) throws Exception {
        // 解析Base64编码字符串并分离盐、初始化向量和密文
        byte[] combined = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);
        byte[] salt = Arrays.copyOfRange(combined, 0, 16);
        byte[] iv = Arrays.copyOfRange(combined, 16, 32);
        byte[] encryptedBytes = Arrays.copyOfRange(combined, 32, combined.length);

        // 生成密钥
        SecretKeySpec keySpec = generateKey(password, salt);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ENCRYPTION_ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, new IvParameterSpec(iv));

        // 执行解密操作并返回明文字符串
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(encryptedBytes);
        return new String(decryptedBytes);
    }

    /**
     * 测试方法
     *
     * @param args
     * @throws Exception
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 测试加密解密功能
        String encrypted = encrypt("组热么共和国的啥范德萨", "dddd");
        System.out.println("Encrypted: " + encrypted);
        String decrypted = decrypt(encrypted, "dddd");
        System.out.println("Decrypted: " + decrypted);
    }
}

总结

对称加密算法使用同一个密钥进行加密和解密，适用于需要高效加解密的场景。常见的对称加密算法包括DES、AES和3DES等。

对称加密算法使用同一个密钥进行加密和解密，常用的算法包括DES、AES和3DES等。

DES（Data Encryption Standard）：DES是一种较早的对称加密算法，使用56位密钥进行加密和解密。由于密钥长度较短，DES已经不再被推荐使用，因为它容易受到穷举攻击。
AES（Advanced Encryption Standard）：AES是目前广泛使用的对称加密算法之一。它使用128位、192位或256位密钥进行加密和解密。AES算法的安全性和性能较高，因此被广泛应用于各种安全领域。
3DES（Triple Data Encryption Standard）：3DES是对DES算法的改进，通过对数据应用三次DES算法来提高安全性。3DES使用的密钥长度为56位，因此它的安全性较DES提高了很多。但由于AES的出现和3DES的计算复杂性，3DES的使用逐渐减少。