关于java:一文搞懂对称加密加密算法工作模式填充方式代码实现

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上篇介绍了《单向散列加密》，它是一种音讯摘要算法。该算法在信息安全畛域，有很多重要的利用场景，比方：用户密码保护、数字签名、文件完整性校验、云盘妙传等。

单向散列加密只可能对音讯进行加密（严格来说是计算音讯的摘要），想要实现对密文解密，须要应用其它加密形式了。明天介绍一个在信息安全畛域中，比拟重要的加密形式——对称加密。

上面是本篇讲述内容：

加密（Encrypt）是从明文生成密文的步骤，解密（Decrypt）是从密文还原成明文的步骤，而这两个步骤都须要用到密钥（Key）。这和咱们事实中，用钥匙上锁和开锁是一样的。

对称加密（Symmetric Cryptography）是密码学中的一类加密算法，这类算法在加密和解密时，应用雷同的密钥。

对称加密又称为 共享密钥加密，其最大的毛病是，对称加密的安全性依赖于密钥，一旦泄露，就意味着任何人都能解密音讯。

对称加密的长处是加密速度快，所以在很多场合被应用。

本节介绍对称加密的一些常见算法，包含 DES、3DES 和 AES。

DES（Data Encryption Standard，中文：数据加密规范），是一种对称加密算法。该算法在 1976 年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦材料解决规范（FIPS），并于 1977 年被公布，随后在国内上宽泛流传开来。然而，随着计算机的提高，DES 曾经可能被暴力破解，所以该算法曾经不平安了。

DES 是一种 分组明码 （Block Cipher，或者叫 块加密），行将明文按 64 比特进行分组加密，每组生成 64 位比特的密文。它的密钥长度为 56 比特（从规格上来说，密钥长度是 64 比特，但因为每隔 7 比特会设置一个用于谬误查看的比特，因而理论长度为 56 比特）。

三重数据加密算法（Triple Data Encryption Algorithm，缩写为 TDEA），简称3DES（Triple-DES），是 DES 的增强版，相当于对每组数据利用了三次 DES 算法。

因为 DES 算法的密钥长度过短，容易被暴力破解，为了解决这一问题，设计出了该算法。它应用简略的办法，通过减少 DES 密钥长度的形式来防止相似攻打，而不是一种全新的明码算法。

该算法在每次利用 DES 时，应用不同的密钥，所以有三把独立密钥。这三把密钥组成一起，是一个长度为 168（56 + 56 + 56）比特的密钥，所以 3DES 算法的密钥总长度为 168 比特。

3DES 的加密过程，并不是进行三次 DES 加密（加密→加密→加密），而是以 密钥 1、密钥 2、密钥 3 的程序，进行加密 → 解密 → 加密的过程。

3DES 的解密过程和加密正好相同，是以 密钥 3、密钥 2、密钥 1 的程序，进行解密 → 加密 → 解密的操作。

AES（Advanced Encryption Standard），即高级加密规范，是取代 DES 算法的一种新的对称加密算法。AES 算法是从全世界的企业和明码学家，提交的对称明码算法中竞选进去的，最终 Rijndael 加密算法胜出，所以 AES 又称为 Rijndael 加密算法。

AES 也是一种分组明码，它的分组长度为 128 比特，密钥长度能够为 128 比特、192 比特或 256 比特。

下面介绍的 DES、3DES 和 AES 都属于分组明码，它们只能加密固定长度的明文。如果须要加密更长的明文，就须要对分组明码进行迭代，而分组明码的迭代办法称为分组明码的模式（Model）。简而一句话：分组明码的模式，就是分组明码的迭代形式。

分组明码有很多种模式，这里次要介绍以下几种：ECB、CBC、CFB、OFB、CTR。

在上面对模式的介绍时，会用到两个术语，这里先介绍一下：

在分组明码中，咱们称每组的明文为 明文分组 ，每组生成的密文称为 密文分组。

若将所有的明文分组合并起来就是残缺的明文（先疏忽填充），将所以的密文分组合并起来就是残缺的密文。

ECB（Electronic CodeBook）模式，即电子密码本模式。该模式是将明文分组，加密后间接成为密文分组，分组之间没有关系。

ECB 模式是所有模式中最简略的一种，该模式的明文分组与密文分组是一一对应的关系，若明文分组雷同，其密文分组也肯定雷同。因而，ECB 模式也是最不平安的模式。

CBC（Cipher Block Chaining）模式，即明码分组链接模式。该模式首先将明文分组与前一个密文分组进行 XOR 运算，而后再进行加密。只有第一个明文分组非凡，须要提前为其生成一个与分组长度雷同的比特序列，进行 XOR 运算，这个比特序列称为 初始化向量（Initialization Vector），简称IV。

CFB（Cipher FeedBack）模式，即密文反馈模式。该模式首先将前一个密文分组进行加密，再与以后明文分组进行 XOR 运算，来生成密文分组。同样 CFB 模式也须要一个 IV。

OFB（Output FeedBack）模式，即输入反馈模式。该模式会产生一个密钥流，行将明码算法的前一个输入值，做为以后明码算法的输出值。该输出值再与明文分组进行 XOR 运行，计算得出密文分组。该模式须要一个 IV，进行加密后做为第一个分组的输出。

CTR（CounTeR）模式，即计数器模式。该模式也会产生一个密钥流，它通过递增一个计数器来产生间断的密钥流。对该计数器进行加密，再与明文分组进行 XOR 运算，计算得出密文分组。

在分组明码中，当数据长度不合乎分组长度时，须要按肯定的形式，将尾部明文分组进行填充，这种将尾部分组数据填满的办法称为填充（Padding)。

即不填充，要求明文的长度，必须是加密算法分组长度的整数倍。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD DD DD DD DD |

在填充字节序列中，最初一个字节 填充为 须要填充的字节长度，其余字节填充0。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 00 00 00 04 |

在填充字节序列中，最初一个字节 填充为 须要填充的字节长度 ，其余字节填充 随机数。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 81 A6 23 04 |

在填充字节序列中，每个字节 填充为 须要填充的字节长度。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 04 04 04 04 |

在填充字节序列中，第一个字节 填充固定值80，其余字节填充0。若只需填充一个字节，则间接填充80。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 80 00 00 00 |

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD DD DD DD 80 |

在填充字节序列中，每个字节 填充为0。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 00 00 00 00 |

Java 在底层曾经封装好了对称加密的实现，咱们只须要应用即可。当初介绍几个重要的类：

SecureRandom 类是一个强平安的 随机数生成器（Random Number Generator，简称：RNG），加密相干的举荐应用此随机数生成器。

咱们能够通过构造方法生成一个实例，或者向构造方法传递一个种子来创立实例。

SecureRandom random = new SecureRandom();

KeyGenerator 类是对称明码的 密钥生成器，须要指定加密算法，来生成相应的密钥。

Java 中反对的算法：

AES (128)
DES (56)
DESede (168)
HmacSHA1
HmacSHA256

上面是一些规范算法的介绍：

生成密钥代码如下：

/**
 * 通过明码和算法获取 Key 对象
 *
 * @param key       密钥
 * @param algorithm 算法，例如：AES (128)、DES (56)、DESede (168)、HmacSHA1、HmacSHA256
 * @return 密钥 Key
 * @throws Exception
 */
private static Key getKey(byte[] key, String algorithm) throws Exception {
    // 通过算法获取 KeyGenerator 对象
    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
    // 应用密钥做为随机数，初始化 KeyGenerator 对象
    keyGenerator.init(new SecureRandom(key));
    // 生成 Key
    return keyGenerator.generateKey();}

Cipher 类提供了 加密和解密 的性能。该类须要指定一个转换（Transformation）来创立一个实例，转换的命名形式：算法名称 / 工作模式 / 填充形式。

上面是 Java 反对的转换：

AES/CBC/NoPadding (128)
AES/CBC/PKCS5Padding (128)
AES/ECB/NoPadding (128)
AES/ECB/PKCS5Padding (128)
DES/CBC/NoPadding (56)
DES/CBC/PKCS5Padding (56)
DES/ECB/NoPadding (56)
DES/ECB/PKCS5Padding (56)
DESede/CBC/NoPadding (168)
DESede/CBC/PKCS5Padding (168)
DESede/ECB/NoPadding (168)
DESede/ECB/PKCS5Padding (168)
RSA/ECB/PKCS1Padding (1024, 2048)
RSA/ECB/OAEPWithSHA-1AndMGF1Padding (1024, 2048)
RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding (1024, 2048)

上面是一些规范的模式：

上面是一些规范的填充：

加密代码如下：

private static final String DES_ALGORITHM = "DES";
private static final String DES_TRANSFORMATION = "DES/ECB/PKCS5Padding";

/**
 * DES 加密
 *
 * @param data 原始数据
 * @param key  密钥
 * @return 密文
 */
private static byte[] encryptDES(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
    // 获取 DES Key
    Key secretKey = getKey(key, DES_ALGORITHM);

    // 通过规范转换获取 Cipher 对象, 由该对象实现理论的加密操作
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_TRANSFORMATION);
    // 通过加密模式、密钥，初始化 Cipher 对象
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
    // 生成密文
    return cipher.doFinal(data);
}

解密代码如下：

private static final String DES_ALGORITHM = "DES";
private static final String DES_TRANSFORMATION = "DES/ECB/PKCS5Padding";

/**
 * DES 解密
 *
 * @param data 密文
 * @param key  密钥
 * @return 原始数据
 */
private static byte[] decryptDES(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
    // 获取 DES Key
    Key secretKey = getKey(key, DES_ALGORITHM);
    // 通过规范转换获取 Cipher 对象, 由该对象实现理论的加密操作
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_TRANSFORMATION);
    // 通过解密模式、密钥，初始化 Cipher 对象
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
    // 生成原始数据
    return cipher.doFinal(data);
}

残缺代码请拜访我的 Github，若对你有帮忙，欢送给个⭐，感激~~🌹🌹🌹

https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos/blob/main/java-source-analysis/src/main/java/io/github/gozhuyinglong/utils/SymmetricKeyUtil.java

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正文完

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发表至： java

2021-11-16

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加密、解密和密钥

什么是对称加密

常见算法

DES 算法

3DES 算法

AES 算法

分组明码的模式

明文分组与密文分组

ECB 模式

CBC 模式

CFB 模式

OFB 模式

CTR 模式

分组明码的填充

No Padding

ANSI X9.23

ISO 10126

PKCS#5 和 PKCS#7

ISO/IEC 7816-4

Zero Padding

Java 代码实现

SecureRandom 类

KeyGenerator 类

Cipher 类

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