常用加密算法的Java实现总结(二)
——对称加密算法DES、3DES和AES
摘自：http://www.blogjava.net/amigoxie/archive/2014/07/06/415503.html
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（mi yue）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
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，示意图如下：
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：
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：
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。
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 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 {
//算法名称 public static final String KEY_ALGORITHM = "DES"; //算法名称/加密模式/填充方式 //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 * @param KeyStr 密钥字符串 * @return 密钥对象 * @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); //创建一个密匙工厂，然后用它把DESKeySpec转换成 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; } // 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; } /** * 加密数据 * @param data 待加密数据 * @param key 密钥 * @return 加密后的数据 */ 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.encodeBase64String(results); } /** * 解密数据 * @param data 待解密数据 * @param key 密钥 * @return 解密后的数据 */ 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.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("加密后: " + encryptData); String decryptData = decrypt(encryptData, key); System.out.println("解密后: " + decryptData); }
}
测试结果：
原文: amigoxie97 -15 32 -117 -57 -42 -90 75 加密后: YfEgi8fWpks=解密后: amigoxie
为了核对测试结果是否正确，需要将结果与 “加密解密在线测试网站”（http://tripledes.online-domain-tools.com/）进行核对，在该网站的测试结果如下：
左侧下方显示的加密结果“61 f1 20 8b c7 d6 a6 4b”是返回的16进制结果。与我们打印出的十进制“97 -15 32 -117 -57 -42 -90 75”是相对应的。
需要注意的是这个网站采用的填充方式是NoPadding，如果我们程序中采用PKCS5Padding或PKCS7Padding填充方式，这些填充方式在不足位时会进行填充，所以会跟我们在该测试网站看到的后面部分不一致。
另外Java的byte的范围是-128-127，而不是0～255，因此超过十六进制7f（对应127）的数在Java中会转换为负数。
【说明】DESUtil类中引入的org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider类在commons-codec-1.6.jar包中。
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 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 明文 * @return Base64编码的密文 * @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; } /** * * 生成密钥key对象 * @param KeyStr 密钥字符串 * @return 密钥对象 * @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; } // 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 * @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")); }}
测试结果如下所示：
data.length=8CBC加密解密-32 6 108 42 24 -112 -66 -34 4AZsKhiQvt4=amigoxie
加密解密在线测试网站的3DES可选择CBC模式，无填充方式选项，采用NoPadding填充方式，加密结果如下所示：
ThreeDESUtil的测试代码中打印出的加密后的byte数组为：“-32 6 108 42 24 -112 -66 -34”，正是在线测试网站返回的十六进制“e0 06 6c 2a 18 90 be de”在Java中的十进制表示（Java中byte范围为：-128～127，所以超过127的数会被转换成负数）。
【说明】ThreeDESUtil类中引入的org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider类在bcprov-jdk16-1.46.jar包中。
4、AES加密
待写。
5、参考文档
《对称加密算法_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
《加密解密在线测试网站》：http://tripledes.online-domain-tools.com/
《分组对称加密模式:ECB/CBC/CFB/OFB/CTR》：
http://blog.sina.com.cn/s/blog_78efec1501015zfn.html
《密码学 数据块填充模式》：http://laokaddk.blog.51cto.com/368606/461279/
《3DES_百度百科》：
http://baike.baidu.com/link?url=JIAkaazhQoWw1EattGwiAoC2SZjxmkjx-9UTlZGbyTLsDDNizQnElntZSooKckj_