对称加密-拓展

摘要

JDK：1.8.0_202

一：PBE

PBE（Password Based Encryption，基于口令加密）算法是一种基于口令的加密算法，特点是没有秘钥的概念，信息交互双方事先拟定好口令即可。单纯的口令很容易通过穷举攻击方式破译，所以PBE也加入了 “盐” 的概念。PBE 算法是对称加密算法的综合性算法，常见算法如 PBEWithMD5AndDES，该算法使用了MD5和DES算法构建PBE算法。

JDK8支持 PBEWithMD5AndDES、PBEWithMD5AndTripleDES、PBEWithSHA1AndDESede、PBEWithSHA1AndRC2_40、PBEWithSHA1AndRC2_128、PBEWithSHA1AndRC4_40、PBEWithSHA1AndRC4_128、PBEWithHmacSHA1AndAES_128、PBEWithHmacSHA224AndAES_128、PBEWithHmacSHA256AndAES_128、PBEWithHmacSHA384AndAES_128、PBEWithHmacSHA512AndAES_128、PBEWithHmacSHA1AndAES_256、PBEWithHmacSHA224AndAES_256、PBEWithHmacSHA256AndAES_256、PBEWithHmacSHA384AndAES_256 和 PBEWithHmacSHA512AndAES_256，其中算法名称中包含 Hmac 的需要配和初始化向量使用。

不需要指定初始化向量的PBE算法族（PBEWithMD5AndDES、PBEWithMD5AndTripleDES、PBEWithSHA1AndDESede、PBEWithSHA1AndRC2_40、PBEWithSHA1AndRC2_128、PBEWithSHA1AndRC4_40、PBEWithSHA1AndRC4_128）例子：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.PBEKeySpec;
import javax.crypto.spec.PBEParameterSpec;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;

public class PbeTest {

    @Test
    public void test1() throws Exception {
        String value = "helloWorld";
        System.out.println("待加密值：" + value);
        // 加密算法
        String algorithm = "PBEWithSHA1AndDESede";
        // 转换模式
        String transformation = "PBEWithSHA1AndDESede";
        // 密码（口令）
        String password = "74Q9gacAnPZZXyiifxdA";
        System.out.println("PBE口令：" + password);
        // 迭代次数
        int count = 99;

        // 实例化安全随机数
        SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
        // 生成盐
        byte[] salt = secureRandom.generateSeed(8);
        System.out.println("盐值：" + Base64.getEncoder().encodeToString(salt));
        // 通过密码生成秘钥材料
        PBEKeySpec pbeKeySpec = new PBEKeySpec(password.toCharArray());
        // 实例化秘钥工厂
        SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(algorithm);
        // 生成秘钥
        SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(pbeKeySpec);
        // 实例化PBE参数材料
        PBEParameterSpec pbeParameterSpec = new PBEParameterSpec(salt, count);

        // 实例化密码对象
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
        // 初始化
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, pbeParameterSpec);
        // 加密
        byte[] encrypt = cipher.doFinal(value.getBytes());
        System.out.println("PBE加密结果：" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypt));

        // 解密
        // 设置为解密模式
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, pbeParameterSpec);
        byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt);
        System.out.println("PBE解密结果：" + new String(decrypt));
    }

}

算法名称包含Hmac的PBE算法需要指定初始化向量，比如PBEWithHmacSHA1AndAES_128：

@Test
public void test2() throws Exception {
    String value = "helloWorld";
    System.out.println("待加密值：" + value);
    // 加密算法
    String algorithm = "PBEWithHmacSHA1AndAES_128";
    // 转换模式
    String transformation = "PBEWithHmacSHA1AndAES_128";
    // 密码（口令）
    String password = "74Q9gacAnPZZXyiifxdA";
    System.out.println("PBE口令：" + password);
    // 迭代次数
    int count = 99;

    // 实例化安全随机数
    SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
    // 生成盐
    byte[] salt = secureRandom.generateSeed(8);
    System.out.println("盐值：" + Base64.getEncoder().encodeToString(salt));
    // 通过密码生成秘钥材料
    PBEKeySpec pbeKeySpec = new PBEKeySpec(password.toCharArray());
    // 实例化秘钥工厂
    SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(algorithm);
    // 生成秘钥
    SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(pbeKeySpec);
    // 创建初始化向量
    IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec("123456789abcdefg".getBytes());
    // 实例化PBE参数材料
    PBEParameterSpec pbeParameterSpec = new PBEParameterSpec(salt, count, iv);

    // 实例化密码对象
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
    // 初始化
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, pbeParameterSpec);
    // 加密
    byte[] encrypt = cipher.doFinal(value.getBytes());
    System.out.println("PBE加密结果：" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypt));

    // 解密
    // 设置为解密模式
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, pbeParameterSpec);
    byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt);
    System.out.println("PBE解密结果：" + new String(decrypt));
}

通过 IvParameterSpec 类创建初始化向量，创建初始化向量的秘钥必须为 16字节，这里为123456789abcdefg，实例化 PBE 参数材料的时候通过构造参数传入初始化向量。

二：加密模式

对称加密算法分为：序列密码(流密码)加密，分组密码(块密码)加密 两种。

• 流密码：是对信息流中的每一个元素（一个字母或一个比特）作为基本的处理单元进行加密；
• 块密码：是先对信息流分块，再对每一块分别加密。

之前介绍的都属于块密码加密。不同的算法侧重点不同，有的强调效率，有的强调安全，有的强调容错性。根据数据加密时每个加密区块间的关联方式来区分，可以分为4种加密模式：

• 电子密码本模式（Electronic Code Book，ECB）
• 密文链接模式（Cipher Book Chaining，CBC）
• 密文反馈模式（Cipher Feed Back，CFB）
• 输出反馈模式（Output Feed Back，OFB）

AES 标准除了推荐上述4种工作模式外，还推荐了一种新的工作模式—计数器模式（Counter，CTR）。这些工作模式可适用于各种分组密码算法。

2.1 ECB

ECB 模式加解密过程如下图所示：

明文分为若干块，每次加密均产生独立的密文分组，每组的加密结果不会对其他分组产生影响，相同的明文加密后对应产生相同的密文。

• 优点：可并行操作，没有误差传递（因为每个密文都是独立加密来的）；
• 缺点：如果明文重复，则对应的密文也会重复，对明文进行主动攻击的可能性较高；
• 用途：适合加密秘钥、随机数等短数据。例如，安全地传递DES秘钥，ECB是最合适的模式。

2.2 CBC

CBC 模式加解密过程如下图所示：

明文分为若干块，每次加密前，明文块都和前一个明文块加密后的内容进行异或处理，然后再用秘钥加密。因为第一个明文块没有可以用来异或处理的密文块，所以我们需要提供一个初始化向量来替代。

• 优点：密文链接模式加密后的密文上下文关联，对明文的主动攻击的可能性较低；
• 缺点：不能并行加密，如果在加密过程中发生错误，则错误将被无限放大，导致加密失败。并且需要提供初始化向量；
• 用途：可加密任意长度的数据；适用于计算产生检测数据完整性的消息认证码Mac。

2.3 CFB

CFB模式加解密过程如下图所示：

明文分为若干块，每次加密前，先将前一个密文块使用秘钥加密，加密结果和当前明文块异或处理得到密文块。同样的，需要为第一个明文块加密提供初始化向量。

• 优点：和CBC类似；
• 缺点：和CBC类似；
• 用途：因错误传播无界，可用于检查发现明文密文的篡改。

2.4 OFB

OFB模式加解密过程如下图所示：

过程和CFB类似，区别在于OFB第一次使用秘钥对初始化向量进行加密（结果为A），加密结果和明文块异或处理得到密文块，下一次操作时候，不是使用秘钥加密前一个密文块，而是使用秘钥加密A的结果再和明文块异或处理，得到当前密文块。

• 优点：和CFB类似；
• 缺点：不利于并行计算；对明文的主动攻击是可能的，安全性较CFB差；
• 用途：适用于加密冗余性较大的数据，比如语音和图像数据。

2.5 CTR

CTR模式加解密过程如下图所示：

CTR含义是计数器模式，所以它维护了一个递增的计数器。秘钥加密计数器，结果和明文块异或得到密文块，依次类推。

• 优点：可以并行操作，安全性和CBC一样好；
• 缺点：没有错误传播，因此不易确保数据完整性；
• 用途：适用于各种加密应用。

三：填充模式

当需要按块处理的数据, 数据长度不符合块处理需求时, 按照一定的方法填充满块长的规则。如果不填充，待加密的数据块长度不符合要求时程序会抛出异常。

JDK8中主要支持 NoPadding 和 PKCS5Padding 填充模式。

1. NoPadding：不填充；
2. PKCS5Padding：数据块的大小为8位, 不够就补足。

四：加密、填充模式实战

在了解了加密模式和填充模式后，我们回头看前面代码中的transformation参数，实例化Cipher对象的时候需要指定transformation转换模式，转换模式主要有两种格式：

1. 算法；
2. 算法/加密模式/填充模式。

下面就AES算法来实践不同的加密、填充模式。

当转换模式为AES/ECB/PKCS5Padding时：

import org.junit.Test;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class SymmetryTest {

    @Test
    public void test1() throws Exception {
        String value = "helloWorld";
        System.out.println("待加密值：" + value);
        // 加密算法
        String algorithm = "AES";
        // 转换模式
        String transformation = "AES/ECB/PKCS5Padding";
        // --- 生成秘钥 ---
        // 实例化秘钥生成器
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
        // 初始化秘钥长度
        keyGenerator.init(256);
        // 生成秘钥
        SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
        // 生成秘钥材料
        SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), algorithm);
        System.out.println("AES秘钥：" + Base64.getEncoder().encodeToString(secretKey.getEncoded()));

        // 实例化密码对象
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
        // 设置模式（ENCRYPT_MODE：加密模式；DECRYPT_MODE：解密模式）和指定秘钥
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec);
        // 加密
        byte[] encrypt = cipher.doFinal(value.getBytes());
        System.out.println("AES加密结果：" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypt));
        // 解密
        // 设置为解密模式
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec);
        byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt);
        System.out.println("AES解密结果：" + new String(decrypt));
    }

}

将转换模式改为 AES/CBC/PKCS5Padding 时，程序输出抛出 java.security.InvalidKeyException: Parameters missing 异常。因为该模式需要指定初始化向量，将代码修改为：

@Test
public void test2() throws Exception {
    String value = "helloWorld";
    System.out.println("待加密值：" + value);
    // 加密算法
    String algorithm = "AES";
    // 转换模式
    String transformation = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    // --- 生成秘钥 ---
    // 实例化秘钥生成器
    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
    // 初始化秘钥长度
    keyGenerator.init(256);
    // 生成秘钥
    SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
    // 生成秘钥材料
    SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), algorithm);
    System.out.println("AES秘钥：" + Base64.getEncoder().encodeToString(secretKey.getEncoded()));

    // 初始化向量，123456789abcdefg初始化向量秘钥，16字节
    IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec("123456789abcdefg".getBytes());
    // 实例化密码对象
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
    // 设置模式（ENCRYPT_MODE：加密模式；DECRYPT_MODE：解密模式）和指定秘钥
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec, iv);
    // 加密
    byte[] encrypt = cipher.doFinal(value.getBytes());
    System.out.println("AES加密结果：" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypt));
    // 解密
    // 设置为解密模式
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec, iv);
    byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt);
    System.out.println("AES解密结果：" + new String(decrypt));
}

将转换模式改为 AES/CBC/NoPadding 时，程序抛出 javax.crypto.IllegalBlockSizeException: Input length not multiple of 16 bytes 异常。因为 helloWorld 不是16字节的倍数。

五：手动指定秘钥

在使用对称加密算法加解密的时候，秘钥一般是双方事先约定好的，假如现在通过转换模式为 AES/CTR/PKCS5Padding 加密得到AES秘钥 ZP578BV7JnZ3XdQjLdaDXnhVhBYQ1JRM7CPu9PyMSCg=，AES密文 WRNzQckpM1mOWg==，初始化向量秘钥为 123456789abcdefg，如何通过秘钥和密文进行解密呢，可以参考下面的代码（即演示如何手动指定秘钥并解密）

@Test
public void test3() throws Exception {
    String algorithm = "AES";
    String transformation = "AES/CTR/PKCS5Padding";
    String key = "ZP578BV7JnZ3XdQjLdaDXnhVhBYQ1JRM7CPu9PyMSCg=";
    String encrypt = "WRNzQckpM1mOWg==";
    String ivKey = "123456789abcdefg";

    Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
    SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(Base64.getDecoder().decode(key), algorithm);
    IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(ivKey.getBytes());
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec, iv);
    byte[] decrypt = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encrypt));
    System.out.println("AES解密结果：" + new String(decrypt));
}

六：小结

对于对称性算法总结：

算法	秘钥长度（位）	工作模式	填充模式	初始化向量秘钥长度（字节）
DES	56	ECB、CBC、CFB、OFB、CTR等	NoPadding、PKCS5Padding、ISO10126Padding	8
DESede	112、168	ECB、CBC、CFB、OFB、CTR等	NoPadding、PKCS5Padding、ISO10126Padding	8
AES	128、192、256	ECB、CBC、CFB、OFB、CTR等	NoPadding、 PKCS5Padding、 ISO10126Padding	16
RC2	40~1024	ECB、CBC、CFB、OFB、CTR等	NoPadding、 PKCS5Padding、 ISO10126Padding	8
RC4	40~1024	ECB	NoPadding	无
Blowfish	32~448，8的倍数	ECB、CBC、CFB、OFB、CTR等	NoPadding、 PKCS5Padding、 ISO10126Padding	8
PBE	无	CBC	PKCS5Padding	16（带Hmac）

七：参考文献

• Java 常用加密解密算法全解 (opens new window)