一文搞懂对称加密：加密算法工作模式填充方式代码实现

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上篇介绍了《单向散列加密》，它是一种消息摘要算法。该算法在信息安全领域，有很多重要的应用场景，比如：用户密码保护、数字签名、文件完整性校验、云盘妙传等。

单向散列加密只能够对消息进行加密（严格来说是计算消息的摘要），想要实现对密文解密，需要使用其它加密方式了。今天介绍一个在信息安全领域中，比较重要的加密方式——对称加密。

下面是本篇讲述内容：

加密、解密和密钥

加密（Encrypt）是从明文生成密文的步骤，解密（Decrypt）是从密文还原成明文的步骤，而这两个步骤都需要用到密钥（Key）。这和我们现实中，用钥匙上锁和开锁是一样的。

什么是对称加密

对称加密（Symmetric Cryptography）是密码学中的一类加密算法，这类算法在加密和解密时，使用相同的密钥。

对称加密又称为共享密钥加密，其最大的缺点是，对称加密的安全性依赖于密钥，一旦泄露，就意味着任何人都能解密消息。

对称加密的优点是加密速度快，所以在很多场合被使用。

常见算法

本节介绍对称加密的一些常见算法，包括DES、3DES和AES。

DES算法

DES（Data Encryption Standard，中文：数据加密标准），是一种对称加密算法。该算法在1976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），并于1977年被发布，随后在国际上广泛流传开来。然而，随着计算机的进步，DES 已经能够被暴力破解，所以该算法已经不安全了。

DES是一种分组密码（Block Cipher，或者叫块加密），即将明文按64比特进行分组加密，每组生成64位比特的密文。它的密钥长度为56比特（从规格上来说，密钥长度是64比特，但由于每隔7比特会设置一个用于错误检查的比特，因此实际长度为56比特）。

3DES算法

三重数据加密算法（Triple Data Encryption Algorithm，缩写为TDEA），简称3DES（Triple-DES），是DES的增强版，相当于对每组数据应用了三次DES算法。

由于DES算法的密钥长度过短，容易被暴力破解，为了解决这一问题，设计出了该算法。它使用简单的方法，通过增加DES密钥长度的方式来避免类似攻击，而不是一种全新的密码算法。

该算法在每次应用DES时，使用不同的密钥，所以有三把独立密钥。这三把密钥组成一起，是一个长度为168（56 + 56 + 56）比特的密钥，所以3DES算法的密钥总长度为168比特。

3DES的加密过程，并不是进行三次DES加密（加密→加密→加密），而是以密钥1、密钥2、密钥3的顺序，进行加密→解密→加密的过程。

3DES的解密过程和加密正好相反，是以密钥3、密钥2、密钥1的顺序，进行解密→加密→解密的操作。

AES算法

AES（Advanced Encryption Standard），即高级加密标准，是取代DES算法的一种新的对称加密算法。AES算法是从全世界的企业和密码学家，提交的对称密码算法中竞选出来的，最终 Rijndael 加密算法胜出，所以AES又称为 Rijndael 加密算法。

AES也是一种分组密码，它的分组长度为128比特，密钥长度可以为128比特、192比特或256比特。

分组密码的模式

上面介绍的DES、3DES和AES都属于分组密码，它们只能加密固定长度的明文。如果需要加密更长的明文，就需要对分组密码进行迭代，而分组密码的迭代方法称为分组密码的模式（Model）。简而一句话：分组密码的模式，就是分组密码的迭代方式。

分组密码有很多种模式，这里主要介绍以下几种：ECB、CBC、CFB、OFB、CTR。

明文分组与密文分组

在下面对模式的介绍时，会用到两个术语，这里先介绍一下：

在分组密码中，我们称每组的明文为明文分组，每组生成的密文称为密文分组。

若将所有的明文分组合并起来就是完整的明文（先忽略填充），将所以的密文分组合并起来就是完整的密文。

ECB模式

ECB（Electronic CodeBook）模式，即电子密码本模式。该模式是将明文分组，加密后直接成为密文分组，分组之间没有关系。

ECB模式是所有模式中最简单的一种，该模式的明文分组与密文分组是一一对应的关系，若明文分组相同，其密文分组也一定相同。因此，ECB模式也是最不安全的模式。

CBC模式

CBC（Cipher Block Chaining）模式，即密码分组链接模式。该模式首先将明文分组与前一个密文分组进行XOR运算，然后再进行加密。只有第一个明文分组特殊，需要提前为其生成一个与分组长度相同的比特序列，进行XOR运算，这个比特序列称为初始化向量（Initialization Vector），简称IV。

CFB模式

CFB（Cipher FeedBack）模式，即密文反馈模式。该模式首先将前一个密文分组进行加密，再与当前明文分组进行XOR运算，来生成密文分组。同样CFB模式也需要一个IV。

OFB模式

OFB（Output FeedBack）模式，即输出反馈模式。该模式会产生一个密钥流，即将密码算法的前一个输出值，做为当前密码算法的输入值。该输入值再与明文分组进行XOR运行，计算得出密文分组。该模式需要一个IV，进行加密后做为第一个分组的输入。

CTR模式

CTR（CounTeR）模式，即计数器模式。该模式也会产生一个密钥流，它通过递增一个计数器来产生连续的密钥流。对该计数器进行加密，再与明文分组进行XOR运算，计算得出密文分组。

分组密码的填充

在分组密码中，当数据长度不符合分组长度时，需要按一定的方式，将尾部明文分组进行填充，这种将尾部分组数据填满的方法称为填充（Padding)。

No Padding

即不填充，要求明文的长度，必须是加密算法分组长度的整数倍。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD DD DD DD DD |

ANSI X9.23

在填充字节序列中，最后一个字节填充为需要填充的字节长度，其余字节填充0。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 00 00 00 04 |

ISO 10126

在填充字节序列中，最后一个字节填充为需要填充的字节长度，其余字节填充随机数。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 81 A6 23 04 |

PKCS#5和PKCS#7

在填充字节序列中，每个字节填充为需要填充的字节长度。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 04 04 04 04 |

ISO/IEC 7816-4

在填充字节序列中，第一个字节填充固定值80，其余字节填充0。若只需填充一个字节，则直接填充80。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 80 00 00 00 |

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD DD DD DD 80 |

Zero Padding

在填充字节序列中，每个字节填充为0。

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 00 00 00 00 |

Java代码实现

Java在底层已经封装好了对称加密的实现， 我们只需要使用即可。现在介绍几个重要的类：

SecureRandom类

SecureRandom类是一个强安全的随机数生成器（Random Number Generator，简称：RNG），加密相关的推荐使用此随机数生成器。

我们可以通过构造方法生成一个实例，或者向构造方法传递一个种子来创建实例。

SecureRandom random = new SecureRandom();

KeyGenerator类

KeyGenerator类是对称密码的密钥生成器，需要指定加密算法，来生成相应的密钥。

Java中支持的算法：

  • AES (128)
  • DES (56)
  • DESede (168)
  • HmacSHA1
  • HmacSHA256

下面是一些标准算法的介绍：

生成密钥代码如下：

/**
 * 通过密码和算法获取 Key 对象
 *
 * @param key       密钥
 * @param algorithm 算法，例如：AES (128)、DES (56)、DESede (168)、HmacSHA1、HmacSHA256
 * @return 密钥 Key
 * @throws Exception
 */
private static Key getKey(byte[] key, String algorithm) throws Exception {
    // 通过算法获取 KeyGenerator 对象
    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
    // 使用密钥做为随机数，初始化 KeyGenerator 对象
    keyGenerator.init(new SecureRandom(key));
    // 生成 Key
    return keyGenerator.generateKey();
}

Cipher类

Cipher类提供了加密和解密的功能。该类需要指定一个转换（Transformation）来创建一个实例，转换的命名方式：算法名称/工作模式/填充方式。

下面是Java支持的转换：

  • AES/CBC/NoPadding (128)
  • AES/CBC/PKCS5Padding (128)
  • AES/ECB/NoPadding (128)
  • AES/ECB/PKCS5Padding (128)
  • DES/CBC/NoPadding (56)
  • DES/CBC/PKCS5Padding (56)
  • DES/ECB/NoPadding (56)
  • DES/ECB/PKCS5Padding (56)
  • DESede/CBC/NoPadding (168)
  • DESede/CBC/PKCS5Padding (168)
  • DESede/ECB/NoPadding (168)
  • DESede/ECB/PKCS5Padding (168)
  • RSA/ECB/PKCS1Padding (1024, 2048)
  • RSA/ECB/OAEPWithSHA-1AndMGF1Padding (1024, 2048)
  • RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding (1024, 2048)

下面是一些标准的模式：

下面是一些标准的填充：

加密代码如下：

private static final String DES_ALGORITHM = "DES";
private static final String DES_TRANSFORMATION = "DES/ECB/PKCS5Padding";

/**
 * DES 加密
 *
 * @param data 原始数据
 * @param key  密钥
 * @return 密文
 */
private static byte[] encryptDES(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
    // 获取 DES Key
    Key secretKey = getKey(key, DES_ALGORITHM);

    // 通过标准转换获取 Cipher 对象, 由该对象完成实际的加密操作
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_TRANSFORMATION);
    // 通过加密模式、密钥，初始化 Cipher 对象
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
    // 生成密文
    return cipher.doFinal(data);
}

解密代码如下：

private static final String DES_ALGORITHM = "DES";
private static final String DES_TRANSFORMATION = "DES/ECB/PKCS5Padding";

/**
 * DES 解密
 *
 * @param data 密文
 * @param key  密钥
 * @return 原始数据
 */
private static byte[] decryptDES(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
    // 获取 DES Key
    Key secretKey = getKey(key, DES_ALGORITHM);
    // 通过标准转换获取 Cipher 对象, 由该对象完成实际的加密操作
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_TRANSFORMATION);
    // 通过解密模式、密钥，初始化 Cipher 对象
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
    // 生成原始数据
    return cipher.doFinal(data);
}

完整代码

完整代码请访问我的Github，若对你有帮助，欢迎给个⭐，感谢~~🌹🌹🌹

https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos/blob/main/java-source-analysis/src/main/java/io/github/gozhuyinglong/utils/SymmetricKeyUtil.java

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