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循序渐进学加密

jiezi

还记得上初二的那年夏天，班里来了一个新同学，他就住在我家对面的楼里，于是我们一起上学放学，很快便成了最要好的朋友。我们决定发明一套神秘的沟通方式，任何人看到都不可能猜到它的真实含义。我们第一个想到的就是汉语拼音，但很显然光把一个句子变成汉语拼音是不够的，于是我们把 26 个英文字母用简谱的方式从低音到高音排起来，就得到了一个简单的密码本：

把“我们都是好朋友”用这个密码本变换之后就得到了这样的结果：

小时候玩这个游戏乐此不疲，觉得非常有趣。上大学后，有幸听卢开澄教授讲《计算机密码学》，才知道原来我们小时候玩的这个游戏远远不能称之为加密。那么到底什么是加密呢？

什么是加密？

把字符串 123456 经过 base64 变换之后，得到了 MTIzNDU2，有人说这是base64 加密。

把字符串 123456 经过 md5 变换之后，得到了 E10ADC3949BA59ABBE56E057F20F883E，有人说这是md5 加密。

从严格意义上来说，不管是 base64 还是 md5 甚至更复杂一些的 sha256 都不能称之为加密。

一句话，没有密钥的算法都不能叫加密。

编码（Encoding）是把字符集中的字符编码为指定集合中某一对象（例如：比特模式、自然数序列、8 位字节或者电脉冲），以便文本在计算机中存储和通过通信网络的传递的方法，常见的例子包括将拉丁字母表编码成摩尔斯电码和 ASCII。base64 只是一种编码方式。

杂凑（Hashing）是电脑科学中一种对资料的处理方法，通过某种特定的函数 / 算法（称为杂凑函数 / 算法）将要检索的项与用来检索的索引（称为杂凑，或者杂凑值）关联起来，生成一种便于搜索的资料结构（称为杂凑表）。杂凑算法常被用来保护存在资料库中的密码字符串，由于杂凑算法所计算出来的杂凑值具有不可逆（无法逆向演算回原本的数值）的性质，因此可有效的保护密码。常用的杂凑算法包括 md5, sha1, sha256 等。

加密（Encryption）是将明文信息改变为难以读取的密文内容，使之不可读的过程。只有拥有解密方法的对象，经由解密过程，才能将密文还原为正常可读的内容。加密分为对称加密和非对称加密，对称加密的常用算法包括 DES, AES 等，非对称加密算法包括RSA，椭圆曲线算法等。

在古典加密算法当中，加密算法和密钥都是不能公开的，一旦泄露就有被破解的风险，我们可以用词频推算等方法获知明文。1972年美国 IBM 公司研制的 DES 算法 (Data Encryption Standard) 是人类历史上第一个公开加密算法但不公开密钥的加密方法，后来成为美国军方和政府机构的标准加密算法。2002年升级成为 AES 算法 (Advanced Encryption Standard)，我们今天就从AES 开始入手学习加密和解密。

准备工具

通常情况下，加解密都只需要在服务端完成就够了，这也是网上大多数教程和样例代码的情况，但在某种特殊情况下，你需要用一种语言加密而用另一种语言解密的时候，最好有一个中立的公正的第三方结果集来验证你的加密结果，否则一旦出错，你都不知道是加密算法出错了，还是解密算法出错了，对此我们是有惨痛教训的，特别是如果一个公司里，写加密的是前端，用的是 js 语言，而写解密的是后端，用的是 java 语言或者 php 语言或者 go 语言，则双方更需要有这样一个客观公正的平台，否则你们之间必然会陷入永无休止的互相指责的境地，前端说自己没有错，是后端解密解错了，后端说解密没有错，是前端加密写错了，而事实上是双方都是菜鸟，对密码学一知半解，在这种情况下浪费的时间就更多。

在线 AES 加密解密就是这样的一个工具网站，你可以在上面验证你的加密结果，如果你加密得到的结果和它的结果完全一致，就说明你的加密算法没有问题，否则你就去调整，直到和它的结果完全一致为止。反之亦然，如果它能从一个密文解密解出来，而你的代码解不出来，那么一定是你的算法有问题，而不可能是数据的问题。

我们先在这个网站上对一个简单的字符串 123456 进行加密。

下面我们对网站上的所有选项逐个解释一下：

  1. AES加密模式 ：这里我们选择的是ECB(ee cc block) 模式。这是 AES 所有模式中最简单也是最不被人推荐的一种模式，因为它的固定的明文对应的是固定的密文，很容易被破解。但是既然是练习的话，就让我们先从最简单的开始。
  2. 填充 ：在这里我们选择pkcs 标准的pkcs7padding。
  3. 数据块 ：我们选择128 位，因为 java 端解密算法目前只支持 AES128，所以我们先从128 位开始。
  4. 密钥 ：因为我们前面选择了128 位的数据块，所以这里我们用 128 / 8 = 16 个字节来处理，我们先简单地填入 16 个0，其实你也可以填写任意字符，比如 abcdefg1234567ab 或者其它，只要是 16 个字节即可。理论上来说，不是 16 个字节也可以用来当密钥，优秀的算法会自动补齐，但是为了简单起见，我们先填入 16 个0。
  5. 偏移量 ：置空。因为是ECB 模式，不需要 iv 偏移量。
  6. 输出 ：我们选择base64 编码方式。
  7. 字符集 ：这里因为我们只加密英文字母和阿拉伯数字，所以选择utf-8 和gb2312都是一样的。

好了，现在我们知道按照以上选项设置好之后的代码如果加密 123456 的话，应该输出DoxDHHOjfol/2WxpaXAXgQ==，如果不是这个结果，那就是加密端的问题。

AES-ECB

AES-ECB 的 Javascript 加密

为了完成 AES 加密，我们并不需要自己手写一个 AES 算法，不需要去重复造轮子。但如何选择 js 的加密库是个很有意思的挑战。我们尝试了很多方法，一开始我们尝试了 aes-js 这个库，但它不支持 RSA 算法，后来我们看到 Web Crypto API 这种浏览器自带的加密库，原生支持 AES 和RSA，但它的 RSA 实现和 Java 不兼容，最终我们还是选择了 Forge 这个库，它天生支持 AES 的各种子集，并且它的 RSA 也能和 Java 完美配合。

使用 forge 编写的 js 代码实现 AES-ECB 加密的代码就是下面这些：

const cipher = forge.cipher.createCipher('AES-ECB', '这里是 16 字节密钥');
cipher.start();
cipher.update(forge.util.createBuffer('这里是明文'));
cipher.finish();
const result = forge.util.encode64(cipher.output.getBytes())

forge的 AES 缺省就是pkcs7padding，所以不用特别设置。运行它之后你就会得到正确的加密结果。

AES-ECB 的 Java 解密

接下来我们看看 Java 端的解密代码该如何写：

try {Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec("这里是 16 字节密钥".getBytes(), "AES"));
    String plaintext = new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode("这里是明文".getBytes())), "UTF-8");
    System.out.println(plaintext);
} catch (Exception e) {System.out.println("解密出错：" + e.toString());
}

注意这里我们用到的是 PKCS5Padding，上面加密的时候不是用的是pkcs7padding 吗？怎么这里变成 5 了呢？

我们先来了解一下什么是 pkcs。pkcs 的全称是 Public Key Cryptography Standards（ 公钥加密标准 ），这是RSA 实验室制定的一系列的公钥密码编译标准，比较著名的有 pkcs1, pkcs5, pkcs7, pkcs8 这四个，它们分别管理的是不同的内容。在这里我们只是用它来填充，所以我们只关注 pkcs5 和pkcs7就够了。那么 pkcs5 和pkcs7有什么区别呢？其实在填充方面它们两个的算法是一样的，pkcs5是 pkcs7 的一个子集，区别在于 pkcs5 是8字节固定的，而 pkcs7 可以是 1 到255之间的任意字节。但用在 AES 算法上，因为 AES 标准规定块大小必须是 16 字节或者 24 字节或者 32 字节，不可能用 pkcs5 的8字节，所以 AES 算法只能用 pkcs7 填充。但是由于 java 早期工程师犯的一个命名上的错误，他们把 AES 填充算法的名称设定为 pkcs5，而实际实现中实现的是pkcs7，所以我们在java 端开发解密的时候需要使用pkcs5。

AES-CBC

谈完了不安全的 AES-ECB，我们来做一下相对安全一些的AES-CBC 模式。

AES-CBC 的 Javascript 加密

直接上代码：

const cipher = forge.cipher.createCipher('AES-CBC', '这里是 16 字节密钥');
cipher.start({iv: '这里是 16 字节偏移量'});
cipher.update(forge.util.createBuffer('这里是明文'));
cipher.finish();
const result = forge.util.encode64(cipher.output.getBytes());

跟上面的 AES-ECB 差不多，唯一区别只是在 start 函数里定义了一个iv。

AES-CBC 的 Java 解密

下面是 Java 代码：

try {Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec("这里是 16 字节密钥".getBytes(), "AES"), new IvParameterSpec("这里是 16 字节偏移量".getBytes()));
    String plaintext = new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode("这里是明文".getBytes())), "UTF-8");
    System.out.println(plaintext);
} catch (Exception e) {System.out.println("解密出错：" + e.toString());
}

也是同样，跟上面用 AES-ECB 时的模式几乎一模一样，只是增加了一个 IvParameterSpec，用来生成iv，在cipher.init 里面增加了一个 iv 参数，除此之外完全相同，就这样我们就已经实现了一个简单的 CBC 模式。

RSA

但是以上两种做法都明显是非常不安全的，因为我们把加密用的密钥和 iv 参数都直接暴露在了前端，为此我们需要一种更加安全的加密方法——RSA。因为 RSA 是非对称加密，即使我们把加密用的公钥完全暴露在前端也不必担心，别人即使截获了我们的密文，但因为他们没有解密密钥，是无法解出我们的明文的。

生成密钥对

要用 RSA 加密，首先我们需要生成一个公钥和一个私钥，我们可以直接执行命令 ssh-keygen。它会问我们密钥文件保存的文件夹，注意一定要单独找一个文件夹存放，不要放在缺省文件夹下，否则你日常使用的ssh 公钥和私钥就都被覆盖了。

得到公钥文件之后，由于这个公钥文件是 rfc4716 格式的，而我们的 forge 库要求一个 pkcs1 格式的公钥，所以这里我们需要把它转换成 pem 格式（也就是 pkcs1 格式）：

ssh-keygen -f 公钥文件名 -m pem -e

RSA 的 Javascript 加密

得到 pem 格式的公钥之后，我们来看一下 js 的代码：

forge.util.encode64(forge.pki.publicKeyFromPem('-----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----MIIBCfdsafasfasfafsdaafdsaAB-----END RSA PUBLIC KEY-----').encrypt('这里是明文', 'RSA-OAEP', { md: forge.md.sha256.create(), mgf1: {md: forge.md.sha1.create() } });

一句话就完成整个加密过程了，这就是 forge 的强大之处。

RSA 的 Java 解密

接下来我们看解密。

对于私钥，因为 Java 只支持 PKCS8，而我们用ssh-keygen 生成的私钥是 pkcs1 的，所以还需要用以下命令把 pkcs1 的私钥转换为 pkcs8 的私钥：

openssl pkcs8 -topk8 -inform PEM -outform PEM -nocrypt -in 私钥文件名 -out 导出文件名

得到 pkcs8 格式的私钥之后，我们把这个文件的头和尾去掉，然后放入以下 Java 代码：

try {Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding");
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(Base64.getDecoder().decode("这里是私钥"))));
    String plaintext = new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode("这里是密文".getBytes())), "UTF-8");
    System.out.println(plaintext);
} catch (Exception e) {System.out.println("解密出错：" + e.toString());
}

和上面的 AES 解密类似，只是增加了 KeyFactory 读取 PKCS8 格式私钥的部分，这样我们就完成了 Java 端的 RSA 解密。

以上我们用最简单的方式实现了 js 端加密，java端解密的过程，感兴趣的朋友可以在这里下载完整的代码亲自验证一下：

https://github.com/fengerzh/e…

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