JAVA 常用的加密算法之对称加密DES、3DES和AES

素颜马尾好姑娘i 2022-06-16 14:55 792阅读 0赞

# 1、对称加密算法 #

## 1.1 定义 ##

对称加密算法是应用较早的加密算法，技术成熟。在对称加密算法中，数据发信方将明文（原始数据）和加密密钥一起经过特殊加密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去。收信方收到密文后，若想解读原文，则需要使用加密用过的**密钥**及相同算法的**逆算法**对密文进行解密，才能使其恢复成可读明文。在对称加密算法中，**使用的密钥只有一个**，发收信双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密，这就要求解密方事先必须知道加密密钥。

## 1.2 优缺点 ##

优点：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。

缺点：

（1）交易双方都使用同样钥匙，安全性得不到保证。

（2）每对用户每次使用对称加密算法时，都需要使用其他人不知道的惟一钥匙，这会使得发收信双方所拥有的钥匙数量呈几何级数增长，密钥管理成为用户的负担。对称加密算法在分布式网络系统上使用较为困难，主要是因为密钥管理困难，使用成本较高。

## 1.3 常用对称加密算法 ##

基于“对称密钥”的加密算法主要有**DES**、**3DES**（TripleDES）、**AES**、**RC2**、**RC4**、**RC5**和**Blowfish**等。本文只介绍最常用的对称加密算法DES、3DES（TripleDES）和AES。

# 2、DES #

## 2.1 概述 ##

DES算法全称为**Data Encryption Standard**，即数据加密算法，它是IBM公司于1975年研究成功并公开发表的。DES算法的入口参数有三个：**Key、Data、Mode**。其中Key为**8个字节共64位**，是DES算法的工作密钥；Data也为**8个字节64**位，是要被加密或被解密的数据；Mode为DES的工作方式,有两种：**加密或解密。**

## 2.2 算法原理 ##

DES算法把64位的明文输入块变为64位的密文输出块，它所使用的密钥也是64位，其算法主要分为两步：

### （1）初始置换 ###

其功能是把输入的64位数据块按位重新组合,并把输出分为L0、R0两部分，每部分各长32位，其置换规则为将输入的第58位换到第一位，第50位换到第2位……依此类推,最后一位是原来的第7位。L0、R0则是换位输出后的两部分，L0是输出的左32位，R0是右32位，例：设置换前的输入值为D1D2D3……D64，则经过初始置换后的结果为:L0=D58D50……D8；R0=D57D49……D7。

### （2）逆置换 ###

经过16次迭代运算后，得到L16、R16,将此作为输入，进行逆置换，逆置换正好是初始置换的逆运算，由此即得到密文输出。

## 2.3 五种分组模式 ##

### 2.3.1 EBC模式 ###

![这里写图片描述][o_DES_3DES_AES_281_29.jpg]

优点：

1.简单；
    
    2.有利于并行计算；
    
    3.误差不会被传送；

缺点：

1.不能隐藏明文的模式；
    
    2.可能对明文进行主动攻击。

### 2.3.2 CBC模式 ###

CBC模式又称为密码分组链接模式

![这里写图片描述][o_DES_3DES_AES_282_29.jpg]

优点：

1.不容易主动攻击,安全性好于ECB,适合传输长度长的报文,是SSL、IPSec的标准。

缺点：

1、不利于并行计算；  
    2、误差传递； 
    3、需要初始化向量IV。

### 2.3.3 CFB模式 ###

CFB模式又称为密码发反馈模式，示意图如下图所示：

![这里写图片描述][o_DES_3DES_AES_283_29.jpg]

优点：

1、隐藏了明文模式；  
    2、分组密码转化为流模式；   
    3、可以及时加密传送小于分组的数据。

缺点:

1、不利于并行计算；  
    2、误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元；  
    3、唯一的IV。

### 2.3.4 OFB模式 ###

OFB模式又称输出反馈模式，示意图所下图所示：

![这里写图片描述][o_DES_3DES_AES_284_29.jpg]

优点：

1、隐藏了明文模式；  
    2、分组密码转化为流模式；   
    3、可以及时加密传送小于分组的数据。

缺点：

1、不利于并行计算；  
    2、对明文的主动攻击是可能的； 
    3、误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元。

### 2.3.5 CTR模式 ###

计数模式（CTR模式）加密是对一系列输入数据块(称为计数)进行加密，产生一系列的输出块，输出块与明文异或得到密文。对于最后的数据块，可能是长u位的局部数据块，这u位就将用于异或操作，而剩下的b-u位将被丢弃（b表示块的长度）。CTR解密类似。这一系列的计数必须互不相同的。假定计数表示为T1, T2, …, Tn。CTR模式可定义如下：

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模式的结构如图5所示。

图5 AES CTR的模式结构

Fig 5 Structure of AES CTR Mode

加密方式：密码算法产生一个16 字节的伪随机码块流，伪随机码块与输入的明文进行异或运算后产生密文输出。密文与同样的伪随机码进行异或运算后可以重产生明文。

![这里写图片描述][o_DES_3DES_AES_285_29.jpg]

CTR 模式被广泛用于 ATM 网络安全和 IPSec应用中，相对于其它模式而言，CRT模式具有如下特点：

■硬件效率：允许同时处理多块明文 / 密文。

■ 软件效率：允许并行计算，可以很好地利用 CPU 流水等并行技术。

■ 预处理：算法和加密盒的输出不依靠明文和密文的输入，因此如果有足够的保证安全的存储器，加密算法将仅仅是一系列异或运算，这将极大地提高吞吐量。

■ 随机访问：第 i 块密文的解密不依赖于第 i-1 块密文，提供很高的随机访问能力

■ 可证明的安全性：能够证明 CTR 至少和其他模式一样安全（CBC, CFB, OFB, …）

■ 简单性：与其它模式不同，CTR模式仅要求实现加密算法，但不要求实现解密算法。对于 AES 等加/解密本质上不同的算法来说，这种简化是巨大的。

■ 无填充，可以高效地作为流式加密使用。

## 2.4 常用的填充方式 ##

在Java进行DES、3DES和AES三种对称加密算法时，常采用的是**NoPadding**（不填充）、**Zeros填充（0填充）**、**PKCS5Padding**填充。

### 2.4.1 ZerosPadding ###

全部填充为0的字节，结果如下：

F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8   //第一块
       F9 00 00 00 00 00 00 00 //第二块

### 2.4.2 PKCS5Padding ###

每个填充的字节都记录了填充的总字节数，结果如下：

F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8   //第一块    
     F9 07 07 07 07 07 07 07 //第二块

## 2.5 Java中的DES实现 ##

DES加密算法（ECB、无填充）的Java实现如下所示：

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 { 
        //算法名称
        public static final String KEY_ALGORITHM = "DES";
        //算法名称/加密模式/填充模式
        //DES共有四种工作模式-->>ECB：电子密码本模式、CBC：加密分组链接模式、CFB：加密反馈模式、OFB：输出反馈模式
        public static final String CIPHER_ALGORITHM = "DES/ECB/NOPadding";
    
        /** * 生成密钥key对象 */
        private static SecretKey keyGenerator(String keyStr) throws Exception {
            byte[] input = HexString2Bytes(keyStr);
            DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(input);
            //创建一个密钥工厂 然后用它转换DESKeySpec
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            return keyFactory.generateSecret(desKeySpec);
        }
    
        /** * 加密数据 */
        public static String encrypt(String data, String key) throws Exception {
            Key desKey = keyGenerator(key);
            //实例化Cipher对象，它用于完成实际的加密操作
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            //初始化Cipher对象，设置为加密模式
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, desKey, random);
            byte[] results = cipher.doFinal(data.getBytes());
            // 该部分是为了与加解密在线测试网站（http://tripledes.online-domain-tools.com/）的十六进制结果进行核对
            for (int i = 0; i < results.length; i++) {
                System.out.print(results[i] + " ");
            }
            System.out.println();
            // 执行加密操作。加密后的结果通常都会用Base64编码进行传输
            return Base64.getEncoder().encodeToString(results);
        }
    
        /** * 解密数据 */
        public static String decrypt(String data, String key) throws Exception {
            Key desKey = keyGenerator(key);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
            //初始化Cipher对象，设置为解密模式
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, desKey);
            //执行解密操作
            return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(data)));
        }
    
        // 从十六进制字符串到字节数组转换
        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("加密后: " + encryptData);
            String decryptData = decrypt(encryptData, key);
            System.out.println("解密后: " + decryptData);
        }
    }

# 3、3DES #

## 3.1 概述 ##

3DES（或称为Triple DES）是三重数据加密算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）块密码的通称。它相当于是对每个数据块应用**三次DES加密算法**。由于计算机运算能力的增强，原版DES密码的密钥长度变得容易被暴力破解；3DES即是设计用来提供一种相对简单的方法，即通过增加DES的密钥长度来避免类似的攻击，而不是设计一种全新的块密码算法。

## 3.2 算法原理 ##

使用3条56位的密钥对 数据进行三次加密。3DES（即Triple DES）是DES向AES过渡的加密算法（1999年，NIST将3-DES指定为过渡的加密标准）。

其具体实现如下：设Ek()和Dk()代表DES算法的加密和解密过程，K代表DES算法使用的密钥，P代表明文，C代表密文，这样：

3DES加密过程为：C=Ek3(Dk2(Ek1(P)))
    
    3DES解密过程为：P=Dk1(EK2(Dk3(C)))

## 3.3 Java中的3DES实现 ##

3DES的在Java的实现与DES类似，如下代码为3DES加密算法、CBC模式、NoPadding填充方式的加密解密结果，参考代码如下所示：

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 { 
        //算法名称
        public static final String KEY_ALGORITHM = "desede";
        // 算法名称/加密模式/填充方式
        public static final String CIPHER_ALGORITHM = "desede/CBC/NoPadding";
    
        /** * CBC加密 * * @param key 密钥 * @param keyiv IV * @param data 明晚 * @return BASE64编码的密文 */
        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;
        }
    
    
    
        /** * 生成密钥key对象 * * @param keyStr 密钥字符串 * @return 密钥对象 * @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;
        }
    
        // 从十六进制字符串到字节数组转换
        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 密钥 * @param keyiv IV * @param data Base64编码的密文 * @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"));
        }
    }

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[o_DES_3DES_AES_281_29.jpg]: /images/20220616/d4948b0a588d467eb7fb4eb5e3df6b88.png
[o_DES_3DES_AES_282_29.jpg]: /images/20220616/6ae01abfe9f74d73ba38720c261bc370.png
[o_DES_3DES_AES_283_29.jpg]: /images/20220616/b04508669d50431db9e699f859875087.png
[o_DES_3DES_AES_284_29.jpg]: /images/20220616/4b437908d7384693ae4488bbb0e42b70.png
[o_DES_3DES_AES_285_29.jpg]: /images/20220616/148bfbd952744bf6ab1cbe08cba1ee41.png