常用加密算法的Java实现总结(二) ——对称加密算法DES、3DES和AES

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

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: 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”（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=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。