一文搞懂對稱加密：加密算法、工作模式、填充方式、代碼實現(xiàn)
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上篇介紹了《單向散列加密》，它是一種消息摘要算法。該算法在信息安全領(lǐng)域，有很多重要的應(yīng)用場景，比如：用戶密碼保護(hù)、數(shù)字簽名、文件完整性校驗、云盤妙傳等。
單向散列加密只能夠?qū)ο⑦M(jìn)行加密（嚴(yán)格來說是計算消息的摘要），想要實現(xiàn)對密文解密，需要使用其它加密方式了。今天介紹一個在信息安全領(lǐng)域中，比較重要的加密方式——對稱加密。
下面是本篇講述內(nèi)容：
加密、解密和密鑰
加密（Encrypt）是從明文生成密文的步驟，解密（Decrypt）是從密文還原成明文的步驟，而這兩個步驟都需要用到密鑰（Key）。這和我們現(xiàn)實中，用鑰匙上鎖和開鎖是一樣的。
什么是對稱加密
對稱加密（Symmetric Cryptography）是密碼學(xué)中的一類加密算法，這類算法在加密和解密時，使用相同的密鑰。
對稱加密又稱為共享密鑰加密，其最大的缺點是，對稱加密的安全性依賴于密鑰，一旦泄露，就意味著任何人都能解密消息。
對稱加密的優(yōu)點是加密速度快，所以在很多場合被使用。
常見算法
本節(jié)介紹對稱加密的一些常見算法，包括DES、3DES和AES。
DES算法
DES（Data Encryption Standard，中文：數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)），是一種對稱加密算法。該算法在1976年被美國聯(lián)邦政府的國家標(biāo)準(zhǔn)局確定為聯(lián)邦資料處理標(biāo)準(zhǔn)（FIPS），并于1977年被發(fā)布，隨后在國際上廣泛流傳開來。然而，隨著計算機(jī)的進(jìn)步，DES 已經(jīng)能夠被暴力破解，所以該算法已經(jīng)不安全了。
DES是一種分組密碼（Block Cipher，或者叫塊加密），即將明文按64比特進(jìn)行分組加密，每組生成64位比特的密文。它的密鑰長度為56比特（從規(guī)格上來說，密鑰長度是64比特，但由于每隔7比特會設(shè)置一個用于錯誤檢查的比特，因此實際長度為56比特）。
3DES算法
三重數(shù)據(jù)加密算法（Triple Data Encryption Algorithm，縮寫為TDEA），簡稱3DES（Triple-DES），是DES的增強(qiáng)版，相當(dāng)于對每組數(shù)據(jù)應(yīng)用了三次DES算法。
由于DES算法的密鑰長度過短，容易被暴力破解，為了解決這一問題，設(shè)計出了該算法。它使用簡單的方法，通過增加DES密鑰長度的方式來避免類似攻擊，而不是一種全新的密碼算法。
該算法在每次應(yīng)用DES時，使用不同的密鑰，所以有三把獨立密鑰。這三把密鑰組成一起，是一個長度為168（56 + 56 + 56）比特的密鑰，所以3DES算法的密鑰總長度為168比特。
3DES的加密過程，并不是進(jìn)行三次DES加密（加密→加密→加密），而是以密鑰1、密鑰2、密鑰3的順序，進(jìn)行加密→解密→加密的過程。
3DES的解密過程和加密正好相反，是以密鑰3、密鑰2、密鑰1的順序，進(jìn)行解密→加密→解密的操作。
AES算法
AES（Advanced Encryption Standard），即高級加密標(biāo)準(zhǔn)，是取代DES算法的一種新的對稱加密算法。AES算法是從全世界的企業(yè)和密碼學(xué)家，提交的對稱密碼算法中競選出來的，最終 Rijndael 加密算法勝出，所以AES又稱為 Rijndael 加密算法。
AES也是一種分組密碼，它的分組長度為128比特，密鑰長度可以為128比特、192比特或256比特。
分組密碼的模式
上面介紹的DES、3DES和AES都屬于分組密碼，它們只能加密固定長度的明文。如果需要加密更長的明文，就需要對分組密碼進(jìn)行迭代，而分組密碼的迭代方法稱為分組密碼的模式（Model）。簡而一句話：分組密碼的模式，就是分組密碼的迭代方式。
分組密碼有很多種模式，這里主要介紹以下幾種：ECB、CBC、CFB、OFB、CTR。
明文分組與密文分組
在下面對模式的介紹時，會用到兩個術(shù)語，這里先介紹一下：
在分組密碼中，我們稱每組的明文為明文分組，每組生成的密文稱為密文分組。
若將所有的明文分組合并起來就是完整的明文（先忽略填充），將所以的密文分組合并起來就是完整的密文。
ECB模式
ECB（Electronic CodeBook）模式，即電子密碼本模式。該模式是將明文分組，加密后直接成為密文分組，分組之間沒有關(guān)系。
ECB模式是所有模式中最簡單的一種，該模式的明文分組與密文分組是一一對應(yīng)的關(guān)系，若明文分組相同，其密文分組也一定相同。因此，ECB模式也是最不安全的模式。
CBC模式
CBC（Cipher Block Chaining）模式，即密碼分組鏈接模式。該模式首先將明文分組與前一個密文分組進(jìn)行XOR運(yùn)算，然后再進(jìn)行加密。只有第一個明文分組特殊，需要提前為其生成一個與分組長度相同的比特序列，進(jìn)行XOR運(yùn)算，這個比特序列稱為初始化向量（Initialization Vector），簡稱IV。
CFB模式
CFB（Cipher FeedBack）模式，即密文反饋模式。該模式首先將前一個密文分組進(jìn)行加密，再與當(dāng)前明文分組進(jìn)行XOR運(yùn)算，來生成密文分組。同樣CFB模式也需要一個IV。
OFB模式
OFB（Output FeedBack）模式，即輸出反饋模式。該模式會產(chǎn)生一個密鑰流，即將密碼算法的前一個輸出值，做為當(dāng)前密碼算法的輸入值。該輸入值再與明文分組進(jìn)行XOR運(yùn)行，計算得出密文分組。該模式需要一個IV，進(jìn)行加密后做為第一個分組的輸入。
CTR模式
CTR（CounTeR）模式，即計數(shù)器模式。該模式也會產(chǎn)生一個密鑰流，它通過遞增一個計數(shù)器來產(chǎn)生連續(xù)的密鑰流。對該計數(shù)器進(jìn)行加密，再與明文分組進(jìn)行XOR運(yùn)算，計算得出密文分組。
分組密碼的填充
在分組密碼中，當(dāng)數(shù)據(jù)長度不符合分組長度時，需要按一定的方式，將尾部明文分組進(jìn)行填充，這種將尾部分組數(shù)據(jù)填滿的方法稱為填充（Padding)。
No Padding
即不填充，要求明文的長度，必須是加密算法分組長度的整數(shù)倍。
...?|?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?|?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?|
ANSI X9.23
在填充字節(jié)序列中，最后一個字節(jié)填充為需要填充的字節(jié)長度，其余字節(jié)填充0。
...?|?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?|?DD?DD?DD?DD?00?00?00?04?|
ISO 10126
在填充字節(jié)序列中，最后一個字節(jié)填充為需要填充的字節(jié)長度，其余字節(jié)填充隨機(jī)數(shù)。
...?|?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?|?DD?DD?DD?DD?81?A6?23?04?|
PKCS#5和PKCS#7
在填充字節(jié)序列中，每個字節(jié)填充為需要填充的字節(jié)長度。
...?|?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?|?DD?DD?DD?DD?04?04?04?04?|
ISO/IEC 7816-4
在填充字節(jié)序列中，第一個字節(jié)填充固定值80，其余字節(jié)填充0。若只需填充一個字節(jié)，則直接填充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
在填充字節(jié)序列中，每個字節(jié)填充為0。
...?|?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?DD?|?DD?DD?DD?DD?00?00?00?00?|
Java代碼實現(xiàn)
Java在底層已經(jīng)封裝好了對稱加密的實現(xiàn)， 我們只需要使用即可?，F(xiàn)在介紹幾個重要的類：
SecureRandom類
SecureRandom類是一個強(qiáng)安全的隨機(jī)數(shù)生成器（Random Number Generator，簡稱：RNG），加密相關(guān)的推薦使用此隨機(jī)數(shù)生成器。
我們可以通過構(gòu)造方法生成一個實例，或者向構(gòu)造方法傳遞一個種子來創(chuàng)建實例。
SecureRandom?random?=?new?SecureRandom();
KeyGenerator類
KeyGenerator類是對稱密碼的密鑰生成器，需要指定加密算法，來生成相應(yīng)的密鑰。
Java中支持的算法：
AES(128)DES(56)DESede(168)HmacSHA1HmacSHA256
下面是一些標(biāo)準(zhǔn)算法的介紹：
生成密鑰代碼如下：
/**
?*?通過密碼和算法獲取?Key?對象
?*
?*?@param?key???????密鑰
?*?@param algorithm 算法，例如：AES (128)、DES (56)、DESede (168)、HmacSHA1、HmacSHA256
?*?@return?密鑰?Key
?*?@throws?Exception
?*/
private?static?Key?getKey(byte[]?key,?String?algorithm)?throws?Exception?{
????//?通過算法獲取?KeyGenerator?對象
????KeyGenerator?keyGenerator?=?KeyGenerator.getInstance(algorithm);
????//?使用密鑰做為隨機(jī)數(shù)，初始化?KeyGenerator?對象
????keyGenerator.init(new?SecureRandom(key));
????//?生成?Key
????return?keyGenerator.generateKey();
}
Cipher類
Cipher類提供了加密和解密的功能。該類需要指定一個轉(zhuǎn)換（Transformation）來創(chuàng)建一個實例，轉(zhuǎn)換的命名方式：算法名稱/工作模式/填充方式。
下面是Java支持的轉(zhuǎn)換：
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)
下面是一些標(biāo)準(zhǔn)的模式：
下面是一些標(biāo)準(zhǔn)的填充：
加密代碼如下：
private?static?final?String?DES_ALGORITHM?=?"DES";
private?static?final?String?DES_TRANSFORMATION?=?"DES/ECB/PKCS5Padding";
/**
?*?DES?加密
?*
?*?@param?data?原始數(shù)據(jù)
?*?@param?key??密鑰
?*?@return?密文
?*/
private?static?byte[]?encryptDES(byte[]?data,?byte[]?key)?throws?Exception?{
????//?獲取?DES?Key
????Key?secretKey?=?getKey(key,?DES_ALGORITHM);
????//?通過標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換獲取?Cipher?對象,?由該對象完成實際的加密操作
????Cipher?cipher?=?Cipher.getInstance(DES_TRANSFORMATION);
????//?通過加密模式、密鑰，初始化?Cipher?對象
????cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,?secretKey);
????//?生成密文
????return?cipher.doFinal(data);
}
解密代碼如下：
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??密鑰
?*?@return?原始數(shù)據(jù)
?*/
private?static?byte[]?decryptDES(byte[]?data,?byte[]?key)?throws?Exception?{
????//?獲取?DES?Key
????Key?secretKey?=?getKey(key,?DES_ALGORITHM);
????//?通過標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換獲取?Cipher?對象,?由該對象完成實際的加密操作
????Cipher?cipher?=?Cipher.getInstance(DES_TRANSFORMATION);
????//?通過解密模式、密鑰，初始化?Cipher?對象
????cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,?secretKey);
????//?生成原始數(shù)據(jù)
????return?cipher.doFinal(data);
}
完整代碼
完整代碼請訪問我的Github，若對你有幫助，歡迎給個?，感謝~~??????
https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos/blob/main/java-source-analysis/src/main/java/io/github/gozhuyinglong/utils/SymmetricKeyUtil.java