常用加密算法的java实现总结(二)

——对称加密算法des、3des和aes

日期：2014/7/6

文：阿蜜果

常用加密算法的java实现总结(二)——对称加密算法des、3des和aes -凯发k8网页登录

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（）和加密（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，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，主要是因为困难，使用成本较高。

1.3 常用对称加密算法

基于“”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。

2.1 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;

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: amigoxie

97 -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”（）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。

3.1 概述

3des（或称为triple des）是三重（tdea，triple data encryption algorithm）块密码的通称。它相当于是对每个应用三次des。由于计算机运算能力的增强，原版des密码的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。

3.2 算法原理

使用3条56位的对数据进行三次加密。3des（即triple des）是des向aes过渡的（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，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;

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=8

cbc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。

待写。

《对称加密算法_百度百科》：

《des_百度百科》：

《加密解密在线测试网站》：

《/ctr》：

《密码学数据块填充模式》：

《3des_百度百科》：

posted on 2014-07-06 21:13 阿蜜果阅读(143317) 评论(20) 所属分类: java

feedback: