常用加密算法的Java實現總結(二)——對稱加密算法DES、3DES和AES

1、對稱加密算法

1.1 定義

對稱加密算法是應用較早的加密算法，技術成熟。在對稱加密算法中，數據發信方將明文（原始數據）和加密密鑰（mi yue）一起經過特殊加密算法處理後，使其變成複雜的加密密文發送出去。收信方收到密文後，若想解讀原文，則需要使用加密用過的密鑰及相同算法的逆算法對密文進行解密，才能使其恢復成可讀明文。在對稱加密算法中，使用的密鑰只有一個，發收信雙方都使用這個密鑰對數據進行加密和解密，這就要求解密方事先必須知道加密密鑰。

1.2 優缺點

         優點：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）每對用戶每次使用對稱加密算法時，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，密鑰管理成爲用戶的負擔。對稱加密算法在分佈式網絡系統上使用較爲困難，主要是因爲密鑰管理困難，使用成本較高。

1.3 常用對稱加密算法

基於“對稱密鑰”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稱加密算法DES、3DES（TripleDES）和AES。

2、DES

2.1 概述

DES算法全稱爲Data Encryption Standard，即數據加密算法，它是IBM公司於1975年研究成功並公開發表的。DES算法的入口參數有三個：Key、Data、Mode。其中Key爲8個字節共64位，是DES算法的工作密鑰；Data也爲8個字節64位，是要被加密或被解密的數據；Mode爲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位的明文輸入塊變爲64位的密文輸出塊，它所使用的密鑰也是64位，其算法主要分爲兩步：

（1）初始置換

其功能是把輸入的64位數據塊按位重新組合,並把輸出分爲L0、R0兩部分，每部分各長32位，其置換規則爲將輸入的第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：設置換前的輸入值爲D1D2D3……D64，則經過初始置換後的結果爲:L0=D58D50……D8；R0=D57D49……D7。

（2）逆置換

經過16次迭代運算後，得到L16、R16,將此作爲輸入，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

優點：

1.簡單；

2.有利於並行計算；

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模式又稱爲密碼分組鏈接模式，示意圖如下：

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、不利於並行計算；

2、誤差傳遞；

3、需要初始化向量IV。

2.3.3 CFB模式

         CFB模式又稱爲密碼發反饋模式，示意圖如下圖所示：

優點：

1、隱藏了明文模式；

2、分組密碼轉化爲流模式；

3、可以及時加密傳送小於分組的數據。

缺點:

1、不利於並行計算；

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：

優點：

1、隱藏了明文模式；

2、分組密碼轉化爲流模式；

3、可以及時加密傳送小於分組的數據。

缺點：

1、不利於並行計算；

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數據塊(稱爲計數)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。對於最後的數據塊，可能是長u位的局部數據塊，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。假定計數表示爲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：密碼算法產生一個16 字節的僞隨機碼塊流，僞隨機碼塊與輸入的明文進行異或運算後產生密文輸出。密文與同樣的僞隨機碼進行異或運算後可以重產生明文。

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

■硬件效率：允許同時處理多塊明文 / 密文。

■ 軟件效率：允許並行計算，可以很好地利用 CPU 流水等並行技術。

■ 預處理：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器，加密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算法，但不要求實現解密算法。對於 AES 等加/解密本質上不同的算法來說，這種簡化是巨大的。

■ 無填充，可以高效地作爲流式加密使用。

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

全部填充爲0的字節，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

每個填充的字節都記錄了填充的總字節數，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加密算法（ECB、無填充）的Java實現如下所示：

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對象
     * @param KeyStr 密鑰字符串 
     * @return 密鑰對象 
     * @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);
        //創建一個密匙工廠，然後用它把DESKeySpec轉換成
        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;
    }

    // 從十六進制字符串到字節數組轉換 
    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;
    }

    /** 
     * 加密數據
     * @param data 待加密數據
     * @param key 密鑰
     * @return 加密後的數據 
     */
    public static String encrypt(String data, String key) throws Exception {
        Key deskey = keyGenerator(key);
        // 實例化Cipher對象，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對象，設置爲加密模式
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey, random);
        byte[] results = cipher.doFinal(data.getBytes());
        // 該部分是爲了與加解密在線測試網站（http://tripledes.online-domain-tools.com/）的十六進制結果進行覈對
        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.encodeBase64String(results);
    }

    /** 
     * 解密數據 
     * @param data 待解密數據 
     * @param key 密鑰 
     * @return 解密後的數據 
     */
    public static String decrypt(String data, String key) throws Exception {
        Key deskey = keyGenerator(key);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
        //初始化Cipher對象，設置爲解密模式
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey);
        // 執行解密操作
        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("加密後: " + encryptData);
        String decryptData = decrypt(encryptData, key);
        System.out.println("解密後: " + decryptData);
    }
}

    測試結果：

原文: amigoxie
97 -15 32 -117 -57 -42 -90 75 
加密後: YfEgi8fWpks=
解密後: amigoxie

    爲了覈對測試結果是否正確，需要將結果與 “加密解密在線測試網站”（http://tripledes.online-domain-tools.com/）進行覈對，在該網站的測試結果如下：

         左側下方顯示的加密結果“61 f1 20 8b c7 d6 a6 4b”是返回的16進制結果。與我們打印出的十進制“97 -15 32 -117 -57 -42 -90 75”是相對應的。

需要注意的是這個網站採用的填充方式是NoPadding，如果我們程序中採用PKCS5Padding或PKCS7Padding填充方式，這些填充方式在不足位時會進行填充，所以會跟我們在該測試網站看到的後面部分不一致。

另外Java的byte的範圍是-128-127，而不是0～255，因此超過十六進制7f（對應127）的數在Java中會轉換爲負數。

【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（或稱爲Triple DES）是三重數據加密算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）塊密碼的通稱。它相當於是對每個數據塊應用三次DES加密算法。由於計算機運算能力的增強，原版DES密碼的密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的密鑰長度來避免類似的攻擊，而不是設計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 數據進行三次加密。3DES（即Triple DES）是DES向AES過渡的加密算法（1999年，NIST將3-DES指定爲過渡的加密標準）。

其具體實現如下：設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加密過程爲：C=Ek3(Dk2(Ek1(P)))

3DES解密過程爲：P=Dk1(EK2(Dk3(C)))

3.3 Java中的3DES實現

         3DES的在Java的實現與DES類似，如下代碼爲3DES加密算法、CBC模式、NoPadding填充方式的加密解密結果，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對象 
     * @param KeyStr 密鑰字符串 
     * @return 密鑰對象 
     * @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;
    }
 
    // 從十六進制字符串到字節數組轉換 
    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 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"));
    }
}

     測試結果如下所示：

data.length=8
CBC加密解密
-32 6 108 42 24 -112 -66 -34 
4AZsKhiQvt4=
amigoxie

     加密解密在線測試網站的3DES可選擇CBC模式，無填充方式選項，採用NoPadding填充方式，加密結果如下所示：

       ThreeDESUtil的測試代碼中打印出的加密後的byte數組爲：“-32 6 108 42 24 -112 -66 -34”，正是在線測試網站返回的十六進制“e0   06 6c 2a 18 90 be de”在Java中的十進制表示（Java中byte範圍爲：-128～127，所以超過127的數會被轉換成負數）。

【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

《加密解密在線測試網站》：http://tripledes.online-domain-tools.com/

《分組對稱加密模式:ECB/CBC/CFB/OFB/CTR》：

http://blog.sina.com.cn/s/blog_78efec1501015zfn.html

《密碼學 數據塊填充模式》：http://laokaddk.blog.51cto.com/368606/461279/

《3DES_百度百科》：

http://baike.baidu.com/link?url=JIAkaazhQoWw1EattGwiAoC2SZjxmkjx-9UTlZGbyTLsDDNizQnElntZSooKckj_