对称加密算法概述
对称加密算法就是传统的用一个密码进行加密和解密。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)
对称加密算法特点:
●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,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。
常用的对称加密算法
在软件开发中,常用的对称加密算法有:
算法 | 密钥长度 | 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。
注意:DES算法由于密钥过短,可以在短时间内被暴力破解,所以现在已经不安全了,现在普遍使用AES加密,下面我们一起学习一下使用AES进行加密的算法。
AES加密
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
ECB模式
我们先用ECB模式加密并解密:
1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。
import java.security.*;
import java.util.Base64;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 原文:
String message = "Hello, world!";
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 keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
// 初始化秘钥:设置加密模式ENCRYPT_MODE
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
// 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 keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
// 初始化秘钥:设置解密模式DECRYPT_MODE
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
// 根据原始内容(字节),进行解密
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,更好的方式是通过CBC模式。
CBC模式
CBC模式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:
package com.apesource.demo04;
import java.security.*;
import java.util.Base64;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 原文:
String message = "Hello, world!";
System.out.println("Message(原始信息): " + message);
// 256位密钥 = 32 bytes Key:
byte[] key = "1234567890abcdef1234567890abcdef".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
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
// CBC模式需要生成一个16 bytes的initialization vector:
SecureRandom sr = SecureRandom.getInstanceStrong();
byte[] iv = sr.generateSeed(16); // 生成16个字节的随机数
System.out.println(Arrays.toString(iv));
IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 随机数封装成IvParameterSpec参数对象
// 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps);
// 加密
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:
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); // IV
System.arraycopy(input, 16, data, 0, data.length); //密文
System.out.println(Arrays.toString(iv));
// 解密:
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); // 密码对象
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES"); // 恢复秘钥
IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 恢复IV
// 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivps);
// 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;
}
}
非对称加密算法
非对称加密:加密和解密使用的不是相同的密钥,只有同一个公钥-私钥对才能正常加解密。
对称加密的典型算法就是RSA算法
非对称加密的优点:对称加密需要协商密钥,而非对称加密可以安全地公开各自的公钥,在N个人之间通信的时候:使用非对称加密只需要N个密钥对,每个人只管理自己的密钥对。而使用对称加密需要则需要N*(N-1)/2个密钥,因此每个人需要管理N-1个密钥,密钥管理难度大,而且非常容易泄漏。
非对称加密的缺点:运算速度非常慢,比对称加密要慢很多。
Java标准库提供了RSA算法的实现,示例代码如下:
import java.math.BigInteger;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import javax.crypto.Cipher;
// RSA
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 明文:
byte[] plain = "Hello, encrypt use RSA".getBytes("UTF-8");
// 创建公钥/私钥对:
Human alice = new Human("Alice");
// 用Alice的公钥加密:
// 获取Alice的公钥,并输出
byte[] pk = alice.getPublicKey();
System.out.println(String.format("public key(公钥): %x", new BigInteger(1, pk)));
// 使用公钥加密
byte[] encrypted = alice.encrypt(plain);
System.out.println(String.format("encrypted(加密): %x", new BigInteger(1, encrypted)));
// 用Alice的私钥解密:
// 获取Alice的私钥,并输出
byte[] sk = alice.getPrivateKey();
System.out.println(String.format("private key(私钥): %x", new BigInteger(1, sk)));
// 使用私钥解密
byte[] decrypted = alice.decrypt(encrypted);
System.out.println("decrypted(解密): " + new String(decrypted, "UTF-8"));
}
}
// 用户类
class Human {
// 姓名
String name;
// 私钥:
PrivateKey sk;
// 公钥:
PublicKey pk;
// 构造方法
public Human(String name) throws GeneralSecurityException {
// 初始化姓名
this.name = name;
// 生成公钥/私钥对:
KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
kpGen.initialize(1024);
KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();
this.sk = kp.getPrivate();
this.pk = kp.getPublic();
}
// 把私钥导出为字节
public byte[] getPrivateKey() {
return this.sk.getEncoded();
}
// 把公钥导出为字节
public byte[] getPublicKey() {
return this.pk.getEncoded();
}
// 用公钥加密:
public byte[] encrypt(byte[] message) throws GeneralSecurityException {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, this.pk); // 使用公钥进行初始化
return cipher.doFinal(message);
}
// 用私钥解密:
public byte[] decrypt(byte[] input) throws GeneralSecurityException {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, this.sk); // 使用私钥进行初始化
return cipher.doFinal(input);
}
}
RSA的公钥和私钥都可以通过getEncoded()方法获得以byte[]表示的二进制数据,并根据需要保存到文件中。要从byte[]数组恢复公钥或私钥,可以这么写:
byte[] pkData = ...
byte[] skData = ...
KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
// 恢复公钥:
X509EncodedKeySpec pkSpec = new X509EncodedKeySpec(pkData);
PublicKey pk = kf.generatePublic(pkSpec);
// 恢复私钥:
PKCS8EncodedKeySpec skSpec = new PKCS8EncodedKeySpec(skData);
PrivateKey sk = kf.generatePrivate(skSpec);