一、概述
对称加密算法就是传统的用一个秘钥进行加密和解密。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);
在软件开发中,常用的对称加密算法有:
算法 | 密钥长度(bit) | 工作模式 | 填充模式 |
DES | 56/64 | ECB/CBC/PCBC/CTR/... | NoPadding/PKCS5Padding/... |
AES | 128/192/256 | ECB/CBC/PCBC/CTR/... | NoPadding/PKCS5Padding/PKCS7Padding/... |
IDEA | 128 | ECB | PKCS5Padding/PKCS7Padding/... |
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。Java标准库提供的算法实现并不包括所有的工作模式和所有填充模式。
二、使用AES加密和解密
AES算法是目前应用最广泛的加密算法。比较常见的工作模式是ECB和CBC。
1.ECB模式加密与解密
ECB模式是最简单的AES加密模式,它需要一个固定长度的密钥,固定的明文会生成固定的密文。
Java标准库提供对称加密接口,使用时时按以下步骤编写代码:
1.使用getInstance()方法,根据算法名称/工作模式/填充模式获取Cipher实例;
2.根据算法名称初始化一个SecretKey实例,密钥必须是指定长度;
3.使用SerectKey初始化Cipher实例,并设置加密或解密模式;
4.传入明文或密文,获得密文或明文。
注:加密与解密方法的参数类型都是字节数组
代码如下:
// AES + ECB
public class Work1 {
public static void main(String[] args) throws GeneralSecurityException {
// 原文:
String message = "三更灯火五更鸡,正是男儿读书时";
System.out.println("Message(原始信息): " + message);
// 128位密钥 = 16 bytes Key:
byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes();
// 加密:
byte[] data = message.getBytes();
byte[] encrypted = encrypt(key, data);
System.out.println("Encrypted(加密内容): " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
// 解密:
byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
System.out.println("Decrypted(解密内容): " + new String(decrypted));
}
// 加密:
public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
// 创建密码对象,需要传入算法/工作模式/填充模式
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
// 根据key的字节内容,"恢复"秘钥对象
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key,"AES");
// 初始化秘钥:设置加密模式ENCRYPT_
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,secretKey);
// 根据原始内容(字节),进行加密
return cipher.doFinal(input);
}
// 解密:
public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
// 创建密码对象,需要传入算法/工作模式/填充模式
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
// 根据key的字节内容,"恢复"秘钥对象
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key,"AES");
// 初始化秘钥:设置解密模式DECRYPT_MODE
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,secretKey);
// 根据原始内容(字节),进行解密
return cipher.doFinal(input);
}
}
2.CBC模式加密与解密
ECB模式是最简单的AES加密模式,这种一对一的加密方式会导致安全性降低。所以,更好的方式是通过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: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。并且因为多了一个IvparameterSpec实例,因此,初始化方法需要调用Cipher的重载方法传入IvparameterSpec。(每次的IV不同,密文也不同)
CBC模式加密在ECB加密步骤的基础上增加了创建iv参数的过程,解密则需要把加密后的数据分割为16个字节数组的iv参数和剩余的密文数组然后进行解密。
//AES + CBC
public class Work2 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 原文:
String message = "三更灯火五更鸡,正是男儿读书时";
System.out.println("Message(原始信息): " + message);
// 256位密钥 = 32 bytes Key:
byte[] key = "12345678912345678912345678912345".getBytes();
// 加密:
byte[] data = message.getBytes();
byte[] encrypted = encrypt(key,data);
System.out.println("Encrypted(加密内容): " +
Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
// 解密:
byte[] decrypted = decrypt(key,encrypted);
System.out.println("Decrypted(解密内容): " + new String(decrypted));
}
// 加密:
public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
// 设置算法/工作模式CBC/填充
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
// 恢复秘钥对象
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key,"AES");
// CBC模式需要生成一个16 bytes的initialization vector:
SecureRandom secureRandom = SecureRandom.getInstanceStrong();
byte[] iv = secureRandom.generateSeed(16);
System.out.println("IV字节数组内容:" + Arrays.toString(iv));
System.out.println("IV字节数组长度:" + iv.length);
IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv);
// 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,secretKey,ivps);
// 加密
byte[] bytes = cipher.doFinal(input);
// IV不需要保密,把IV和密文一起返回:
return join(iv,bytes);
}
// 解密:
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);
System.out.println(Arrays.toString(iv));
// 解密:
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key,"AES");
IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(iv);
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
// 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,secretKey,ivParameterSpec);
// 解密操作
return cipher.doFinal(data);
}
// 合并数组
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;
}
}
小结:
● 对称加密算法使用同一个密钥进行加密和解密,常用算法有DES、AES和IDEA等;
● 密钥长度由算法设计决定,长度越长,密钥越安全,AES的密钥长度是128/192/256位;
● 使用对称加密算法需要指定算法名称、工作模式和填充模式。