对称加密算法:DES,3重DES,TDEA,Blowfish,RC5,IDEA,AES。
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:
importjava.security.InvalidKeyException;
importjava.security.Key;
importjava.security.NoSuchAlgorithmException;
importjava.security.SecureRandom;
importjava.security.spec.InvalidKeySpecException;
importjavax.crypto.Cipher;
importjavax.crypto.SecretKey;
importjavax.crypto.SecretKeyFactory;
importjavax.crypto.spec.DESKeySpec;
mons.codec.binary.Base64;
publicclassDESUtil{
//算法名称
publicstaticfinalStringKEY_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
publicstaticfinalStringCIPHER_ALGORITHM="DES/ECB/NoPadding";
/**
*
*生成密钥key对象
*@paramKeyStr密钥字符串
*@return密钥对象
*@throwsInvalidKeyException
*@throwsNoSuchAlgorithmException
*@throwsInvalidKeySpecException
*@throwsException
*/
privatestaticSecretKeykeyGenerator(StringkeyStr)throwsException{
byteinput[]=HexString2Bytes(keyStr);
DESKeySpecdesKey=newDESKeySpec(input);
//创建一个密匙工厂,然后用它把DESKeySpec转换成
SecretKeyFactorykeyFactory=SecretKeyFactory.getInstance("DES");
SecretKeysecurekey=keyFactory.generateSecret(desKey);
returnsecurekey;
}
privatestaticintparse(charc){
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
publicstaticbyte[]HexString2Bytes(Stringhexstr){
byte[]b=newbyte[hexstr.length()/2];intj=0;for(inti=0;i<b.length;i++){charc0=hexstr.charAt(j++);charc1=hexstr.charAt(j++);b[i]=(byte)((parse(c0)<<4)|parse(c1));}returnb;}/***加密数据*@paramdata待加密数据*@paramkey密钥*@return加密后的数据*/publicstaticStringencrypt(Stringdata,Stringkey)throwsException{Keydeskey=keyGenerator(key);//实例化Cipher对象,它用于完成实际的加密操作Ciphercipher=Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);SecureRandomrandom=newSecureRandom();//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-/)的十六进制结果进行核对for(inti=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returnBase64.encodeBase64String(results);}/***解密数据*@paramdata待解密数据*@paramkey密钥*@return解密后的数据*/publicstaticStringdecrypt(Stringdata,Stringkey)throwsException{Keydeskey=keyGenerator(key);Ciphercipher=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returnnewString(cipher.doFinal(Base64.decodeBase64(data)));}publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{Stringsource="amigoxie";System.out.println("原文:"+source);Stringkey="A1B2C3D4E5F60708";StringencryptData=encrypt(source,key);System.out.println("加密后:"+encryptData);StringdecryptData=decrypt(encryptData,key);System.out.println("解密后:"+decryptData);}}
测试结果:
97-1532-117-57-42-9075
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-/)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:
importjava.security.InvalidKeyException;
importjava.security.Key;
importjava.security.NoSuchAlgorithmException;
importjava.security.Security;
importjava.security.spec.InvalidKeySpecException;
importjavax.crypto.Cipher;
importjavax.crypto.SecretKeyFactory;
importjavax.crypto.spec.DESedeKeySpec;
importjavax.crypto.spec.IvParameterSpec;
importorg.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
publicclassThreeDESUtil{
//算法名称
publicstaticfinalStringKEY_ALGORITHM="desede";
//算法名称/加密模式/填充方式
publicstaticfinalStringCIPHER_ALGORITHM="desede/CBC/NoPadding";
/**
*CBC加密
*@paramkey密钥
*@paramkeyivIV
*@paramdata明文
*@returnBase64编码的密文
*@throwsException
*/
publicstaticbyte[]des3EncodeCBC(byte[]key,byte[]keyiv,byte[]data)throwsException{
Security.addProvider(newBouncyCastleProvider());
Keydeskey=keyGenerator(newString(key));
Ciphercipher=Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
IvParameterSpecips=newIvParameterSpec(keyiv);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,deskey,ips);
byte[]bOut=cipher.doFinal(data);
for(intk=0;k<bOut.length;k++){
System.out.print(bOut[k]+"");
}
System.out.println("");
returnbOut;
}
/**
*
*生成密钥key对象
*@paramKeyStr密钥字符串
*@return密钥对象
*@throwsInvalidKeyException
*@throwsNoSuchAlgorithmException
*@throwsInvalidKeySpecException
*@throwsException
*/
privatestaticKeykeyGenerator(StringkeyStr)throwsException{
byteinput[]=HexString2Bytes(keyStr);
DESedeKeySpecKeySpec=newDESedeKeySpec(input);
SecretKeyFactoryKeyFactory=SecretKeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
return((Key)(KeyFactory.generateSecret(((java.security.spec.KeySpec)(KeySpec)))));
}
privatestaticintparse(charc){
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publicstaticbyte[]HexString2Bytes(Stringhexstr){byte[]b=newbyte[hexstr.length()/2];intj=0;for(inti=0;i<b.length;i++){charc0=hexstr.charAt(j++);charc1=hexstr.charAt(j++);b[i]=(byte)((parse(c0)<<4)|parse(c1));}returnb;}/***CBC解密*@paramkey密钥*@paramkeyivIV*@paramdataBase64编码的密文*@return明文*@throwsException*/publicstaticbyte[]des3DecodeCBC(byte[]key,byte[]keyiv,byte[]data)throwsException{Keydeskey=keyGenerator(newString(key));Ciphercipher=Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);IvParameterSpecips=newIvParameterSpec(keyiv);cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,deskey,ips);byte[]bOut=cipher.doFinal(data);returnbOut;}publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{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(newsun.misc.BASE64Encoder().encode(str5));byte[]str6=des3DecodeCBC(key,keyiv,str5);System.out.println(newString(str6,"UTF-8"));}}
测试结果如下所示:
61084224-112-66-34
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 066c2a1890bede”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。
4、AES加密
待写。
5、参考文档
对称加密:/view/119320.htm
非对称加密:/view/1490349.htm
《对称加密算法_百度百科》:/view/7591.htm?fr=aladdin
《DES_百度百科》:/view/7510.htm?fr=aladdin
《加密解密在线测试网站》:http://tripledes.online-domain-/
《分组对称加密模式:ECB/CBC/CFB/OFB/CTR》:
/s/blog_78efec1501015zfn.html
《密码学 数据块填充模式》:http://laokaddk./368606/461279/
《3DES_百度百科》:
/link?url=JIAkaazhQoWw1EattGwiAoC2SZjxmkjx-9UTlZGbyTLsDDNizQnElntZSooKckj_