DES对称加密算法简析

1 对称加密算法

　　在了解DES算法前，先加单介绍一下对称加密算法，因为DES属于对称加密算法的一种。

　　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 yao）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。

　　原理如下图：

　　

2 DES算法简介

2.1 概述

　　DES全称为Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法，1977年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准（FIPS），并授权在非密级政府通信中使用，随后该算法在国际上广泛流传开来。需要注意的是，在某些文献中，作为算法的DES称为数据加密算法（Data Encryption Algorithm,DEA），已与作为标准的DES区分开来。

2.2 发展历史

　　美国国家标准局1973年开始研究除国防部外的其它部门的计算机系统的数据加密标准，于1973年5月15日和1974年8月27日先后两次向公众发出了征求加密算法的公告。加密算法要达到的目的（通常称为DES 密码算法要求）主要为以下四点：

　　☆提供高质量的数据保护，防止数据未经授权的泄露和未被察觉的修改；

　　☆具有相当高的复杂性，使得破译的开销超过可能获得的利益，同时又要便于理解和掌握；

　　☆DES密码体制的安全性应该不依赖于算法的保密，其安全性仅以加密密钥的保密为基础；

　　☆实现经济，运行有效，并且适用于多种完全不同的应用。

　　1977年1月，美国政府颁布：采纳IBM公司设计的方案作为非机密数据的正式数据加密标准（DES Data Encryption Standard）。

2.3 算法原理

　　DES 使用一个 56 位的密钥以及附加的 8 位奇偶校验位，产生最大 64 位的分组大小。这是一个迭代的分组密码，使用称为 Feistel 的技术，其中将加密的文本块分成两半。使用子密钥对其中一半应用循环功能，然后将输出与另一半进行“异或”运算；接着交换这两半，这一过程会继续下去，但最后一个循环不交换。DES 使用 16 个循环，使用异或，置换，代换，移位操作四种基本运算。

　　DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。

　　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。

　　DES算法是这样工作的：

　　如Mode为加密，则用Key 去把数据Data进行加密， 生成Data的密码形式（64位）作为DES的输出结果；

　　如Mode为解密，则用Key去把密码形式的数据Data解密，还原为Data的明码形式（64位）作为DES的输出结果。

　　在通信网络的两端，双方约定一致的Key，在通信的源点用Key对核心数据进行DES加密，然后以密码形式在公共通信网（如电话网）中传输到通信网络的终点，数据到达目的地后，用同样的Key对密码数据进行解密，便再现了明码形式的核心数据。这样，便保证了核心数据（如PIN、MAC等）在公共通信网中传输的安全性和可靠性。

　　通过定期在通信网络的源端和目的端同时改用新的Key，便能更进一步提高数据的保密性，这正是现在金融交易网络的流行做法。

2.4 应用

　　目前在国内，随着三金工程尤其是金卡工程的启动，DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收费站等领域被广泛应用，以此来实现关键数据的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密传输，IC卡与POS间的双向认证、金融交易数据包的MAC校验等，均用到DES算法。

2.5 java代码实现

package xin.dreaming.des;

import java.security.SecureRandom;
import java.util.Arrays;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;

import org.junit.Test;
/**
 * 
 * @author DREAMING.XIN
 *
 */
public class DESUtils {
    
    /**
     * 生成随机密钥
     * 
     * @param size
     *            位数
     * @return
     */
    public static String generateRandomKey(int size) {
        StringBuilder key = new StringBuilder();
        String chars = "0123456789ABCDEF";
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            int index = (int) (Math.random() * (chars.length() - 1));
            key.append(chars.charAt(index));
        }
        return key.toString();
    }

    /**
     * DES加密
     * 
     * @param key
     *            密钥信息
     * @param content
     *            待加密信息
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] encodeDES(byte[] key, byte[] content) throws Exception {
        // 不是8的倍数的，补足
        if (key.length % 8 != 0) {
            int groups = key.length / 8 + (key.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
            byte[] temp = new byte[groups * 8];
            Arrays.fill(temp, (byte) 0);
            System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
            key = temp;
        }

        // 不是8的倍数的，补足
        byte[] srcBytes = content;
        if (srcBytes.length % 8 != 0) {
            int groups = content.length / 8 + (content.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
            srcBytes = new byte[groups * 8];
            Arrays.fill(srcBytes, (byte) 0);
            System.arraycopy(content, 0, srcBytes, 0, content.length);
        }

        IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(new byte[] { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 });
        SecureRandom sr = new SecureRandom();
        DESKeySpec dks = new DESKeySpec(key);
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
        SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(dks);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/CBC/NoPadding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, iv, sr);
        byte[] tgtBytes = cipher.doFinal(srcBytes);
        return tgtBytes;
    }

    /**
     * DES解密
     * 
     * @param key
     *            密钥信息
     * @param content
     *            待加密信息
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] decodeDES(byte[] key, byte[] content) throws Exception {
        // 不是8的倍数的，补足
        if (key.length % 8 != 0) {
            int groups = key.length / 8 + (key.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
            byte[] temp = new byte[groups * 8];
            Arrays.fill(temp, (byte) 0);
            System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
            key = temp;
        }
        // 不是8的倍数的，补足
        byte[] srcBytes = content;
        if (srcBytes.length % 8 != 0) {
            int groups = content.length / 8 + (content.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
            srcBytes = new byte[groups * 8];
            Arrays.fill(srcBytes, (byte) 0);
            System.arraycopy(content, 0, srcBytes, 0, content.length);
        }

        IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(new byte[] { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 });
        SecureRandom sr = new SecureRandom();
        DESKeySpec dks = new DESKeySpec(key);
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
        SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(dks);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/CBC/NoPadding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, iv, sr);
        byte[] tgtBytes = cipher.doFinal(content);
        return tgtBytes;
    }
    
    @Test
    public void desTest() throws Exception{
        //获取随机密钥
        String key = generateRandomKey(16);
        System.out.println("随机密钥："+key);
        String str = "DREAMING.XIN";
        //des加密
        byte[] encodeDES = encodeDES(key.getBytes(), str.getBytes());
        System.out.println("加密结果："+encodeDES);
        
        //des解密
        byte[] decodeDES = decodeDES(key.getBytes(), encodeDES);
        System.out.println("减密结果： "+new String(decodeDES));
    }

}

执行结果：

　　随机密钥：AB09C55631425D67
　　加密结果：[B@19fc4e
　　减密结果： DREAMING.XIN

3 3DES加密算法

3.1 概述

　　3DES又称Triple DES，是DES加密算法的一种模式，它使用3条56位的密钥对数据进行三次加密。数据加密标准（DES）是美国的一种由来已久的加密标准，它使用对称密钥加密法，并于1981年被ANSI组织规范为ANSI X.3.92。DES使用56位密钥和密码块的方法，而在密码块的方法中，文本被分成64位大小的文本块然后再进行加密。比起最初的DES，3DES更为安全。

　　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），加密算法，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，M代表明文，C代表密文，这样：

　　3DES加密过程为：C=Ek3(Dk2(Ek1(M)))

　　3DES解密过程为：M=Dk1(EK2(Dk3(C)))

3.2 java代码实现

package xin.dreaming.des;

import java.security.Security;
import java.util.Arrays;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.junit.Test;

public class TripleDESUtils {

    /**
     * 生成随机密钥
     * 
     * @param size
     *            位数
     * @return
     */
    public static String generateRandomKey(int size) {
        StringBuilder key = new StringBuilder();
        String chars = "0123456789ABCDEF";
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            int index = (int) (Math.random() * (chars.length() - 1));
            key.append(chars.charAt(index));
        }
        return key.toString();
    }

    /**
     * 3DES加密
     * 
     * @param key
     *            密钥信息
     * @param content
     *            待加密信息
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] encode3DES(byte[] key, byte[] content) throws Exception {
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
        // 不是8的倍数的，补足
        if (key.length % 8 != 0) {
            int groups = key.length / 8 + (key.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
            byte[] temp = new byte[groups * 8];
            Arrays.fill(temp, (byte) 0);
            System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
            key = temp;
        }
        // 长度为16位，转换成24位的密钥
        if (key.length == 16) {
            byte[] temp = new byte[24];
            System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
            System.arraycopy(key, 0, temp, key.length, temp.length - key.length);
            key = temp;
        }

        // 不是8的倍数的，补足
        byte[] srcBytes = content;
        if (srcBytes.length % 8 != 0) {
            int groups = content.length / 8 + (content.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
            srcBytes = new byte[groups * 8];
            Arrays.fill(srcBytes, (byte) 0);
            System.arraycopy(content, 0, srcBytes, 0, content.length);
        }

        SecretKey deskey = new SecretKeySpec(key, "DESede");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/NoPadding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey);
        byte[] temp = cipher.doFinal(srcBytes);
        byte[] tgtBytes = new byte[content.length];
        System.arraycopy(temp, 0, tgtBytes, 0, tgtBytes.length);
        return tgtBytes;
    }

    /**
     * 3DES解密
     * 
     * @param key
     *            密钥
     * @param content
     *            待解密信息
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] decode3DES(byte[] key, byte[] content) throws Exception {
        // 不是8的倍数的，补足
        if (key.length % 8 != 0) {
            int groups = key.length / 8 + (key.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
            byte[] temp = new byte[groups * 8];
            Arrays.fill(temp, (byte) 0);
            System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
            key = temp;
        }
        // 长度为16位，转换成24位的密钥
        if (key.length == 16) {
            byte[] temp = new byte[24];
            System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
            System.arraycopy(key, 0, temp, key.length, temp.length - key.length);
            key = temp;
        }

        // 不是8的倍数的，补足
        byte[] srcBytes = content;
        if (srcBytes.length % 8 != 0) {
            int groups = content.length / 8 + (content.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
            srcBytes = new byte[groups * 8];
            Arrays.fill(srcBytes, (byte) 0);
            System.arraycopy(content, 0, srcBytes, 0, content.length);
        }

        SecretKey deskey = new SecretKeySpec(key, "DESede");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/NoPadding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey);
        byte[] tgtBytes = cipher.doFinal(srcBytes);
        return tgtBytes;
    }

    /**
     * 二进制转十六进制字符串。每一个字节转为两位十六进制字符串。
     */
    public static String byte2hex(byte[] b) {
        String hs = "";
        String stmp = "";
        for (int i = 0; i < b.length; i++) {
            stmp = Integer.toHexString(b[i] & 0XFF);
            if (stmp.length() == 1) {
                hs = hs + "0" + stmp;
            } else {
                hs = hs + stmp;
            }
        }
        return hs.toUpperCase();
    }
    
    /**
     * <b>概要：</b>
     * 十六进制转二进制
     * @param hex
     * @return
     * @throws IllegalArgumentException
     */
    public static byte[] hex2byte(String hex) throws IllegalArgumentException {
        if (hex.length() % 2 != 0) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        if (hex.startsWith("0x")) {
            hex = hex.substring(2);
        }
        char[] arr = hex.toCharArray();
        byte[] b = new byte[hex.length() / 2];
        for (int i = 0, j = 0, l = hex.length(); i < l; i++, j++) {
            String swap = "" + arr[i++] + arr[i];
            int byteint = Integer.parseInt(swap, 16) & 0xFF;
            b[j] = new Integer(byteint).byteValue();
        }
        return b;
    }
    
    /**
     * 3DES加密模式
     */
     public static String encrypt(String value,String key) {
        try {
            SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key.getBytes(), "DESede");
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
            byte[] encryptedByte = cipher.doFinal(value.getBytes());
            String encodedByte = byte2hex(encryptedByte);
            return encodedByte;
        } catch(Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
     }
     
     /**
      * <b>概要：</b>
      * 3DES解密
      * @param value
      * @param key
      * @return
      */
    public static String decrypt(String value,String key) {
        try {
            
            SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key.getBytes(), "DESede");
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
            byte[] decryptedByte = cipher.doFinal(hex2byte(value));            
            return new String(decryptedByte);
        } catch(Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
        }
    
    @Test
    public void TripleDESTest() throws Exception {

        // 获取随机密钥
        String key = generateRandomKey(24);
        System.out.println("随机密钥:" + key);
        String str = "DREAMING.XIN";
        // des加密
        String encodeDES = encrypt( str,key);
        System.out.println("3DES加密结果：" + encodeDES);
        
        // des解密
        String decodeDES = decrypt(encodeDES, key);
        System.out.println("减密结果： " + decodeDES);
    }
}

运行结果：

　　

补充说明：

　1、3DES的密钥必须是24位的byte数组

　　否则会报错：如图，我生成23位密钥进行测试，报错如下：

　　

　　2、加密结果的编码方式要一致

　　从byte数组转成字符串，一般有两种方式，base64处理和十六进制处理。

　　

参考：

　　1、https://www.zhihu.com/question/36767829

　　2、https://baike.baidu.com/item/DES/210508?fr=aladdin

　　3、https://baike.baidu.com/item/对称加密算法/211953?fr=aladdin