[转] 对称加密算法DES、3DES

转自：http://www.blogjava.net/amigoxie/archive/2014/07/06/415503.html

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"));
    }
}

View Code

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。

posted @ 2016-03-15 15:00 夏末秋凉阅读(967) 评论(0) 编辑收藏举报

刷新页面返回顶部

[转] 对称加密算法DES、3DES

1、对称加密算法

1.1 定义

1.2 优缺点

1.3 常用对称加密算法

2、DES

2.1 概述

2.2 算法原理

2.3 五种分组模式2.3.1 EBC模式

2.3.2 CBC模式

2.3.3 CFB模式

2.3.4 OFB模式

2.3.5 CTR模式

2.4 常用的填充方式

2.4.1 ZerosPadding

2.4.2 PKCS5Padding

2.5 Java中的DES实现

3、3DES

3.1 概述

3.2 算法原理

3.3 Java中的3DES实现

2.3 五种分组模式
2.3.1 EBC模式