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java加密算法入门（二）-对称加密详解

1、简单介绍

什么是对称加密算法？

对称加密算法即加密和解密使用相同密钥的算法。

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。

摘录来源：http://www.cnblogs.com/Free-Thinker/p/5825582.html

常用的算法：

DES(Data Encryption Standard，数据加密算法)
3DES(Triple Data Encryption Algorithm，三重数据加密算法)
AES(Advanced Encryption Standard，高级加密标准，又称Rijndael加密法)
PBE(Password-based encryption，基于密码验证)

本文会介绍通过JDK来实现上述相关算法，会在源码中加入其它第三方包的开发源码，建议先看：java加密算法入门（一）-算法概念及单向加密理解相关概念。另外，本文不会讲述太多算法原理，注重在应用。

2、DES(Data Encryption Standard，数据加密算法)

DES是最基本的对称加密算法，也是使用频率最高的一种算法，加密密钥与解密密钥相同。DES出身比较好，出自IBM之手，后被美国军方采纳，之后便广泛流传，但是近些年使用越来越少，因为DES使用56位密钥，以现代计算能力，24小时内即可被破解。虽然如此，在某些简单应用中，我们还是可以使用DES加密算法。DES使用56位长度的密钥,有些提供商可能附加8位奇偶校验位。

2.1 算法流程：

发送者构建秘钥-->发送秘钥--> 接收者

发送者明文-->DES算法+秘钥加密--> 密文--> 接收者

接收者--> DES算法+秘钥解密--> 明文

2.2 具体实现

1.初始化密钥
使用KeyGenerator类的getInstance()静态方法,获取生成指定算法的密钥生成器,参数是算法名称.
使用KeyGenerator类的init()方法进行密钥生成器的初始化,指定密钥生成器产生密钥的长度.
使用KeyGenerator类的generatorKey()方法生成一个密钥对象,返回SecretKey密钥对象.
SecretKey为密钥对象.使用它的getEncoded()方法返回一个密钥(字节数组形式)

public static byte[] initSecretKey(){
//返回生成指定算法密钥的KeyGenerator对象
KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance("DES"); 
//初始化此密钥生成器,使其具有确定的密钥大小
kg.init(56);
//生成一个密钥
SecretKey secretKey = kg.generateKey();
return secretKey.getEncoded();
}

2.转化密钥(还原密钥),将jdk生成的密钥对象转化成DES规则的密钥对象.
创建一个DESKeySpec实例,作用是将JDK初始化的密钥转化成DES规则的密钥,构造方法参数是JDK生成的密钥(字节数组形式).
使用SecretKeyFactory类的getInstance()静态方法获取一个密钥工厂实例,参数是算法名称
使用SecretKeyFactory类的generateSecret()方法生成密钥,参数是DESKeySpec实例.返回SecretKey,返回的SecretKey实例就是符合DES算法的密钥.

private static Key toKey(byte[] key){
//实例化DES密钥规则
DESKeySpec dks = new DESKeySpec(key);
//实例化密钥工厂
SecretKeyFactory skf = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
//生成密钥
SecretKey secretKey = skf.generateSecret(dks);
return secretKey;
}

3.加密
创建Cipher对象，该类提供加密和解密功能，使用Cipher类的getInstance()静态方法,参数是“算法/模式/填充”或“算法”，后一种参数使用默认值，后续类似，默认不在说明。
初始化Cipher对象，init(int opmode, Key key)，参数:opmode为以下之一：ENCRYPT_MODE、DECRYPT_MODE、WRAP_MODE 或 UNWRAP_MODE,key - 密钥
加密操作,返回加密后的字节数组，然后需要编码。主要编解码方式有Base64, HEX, UUE, 7bit等等。
编码,ps:此为测试用

Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, convertSecretKey);
byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
System.out.println("jdk des encrypt:" + Hex.encodeHexString(result));

4.解密
将服务器返回的加密字符串，先用Base64、HEX等解码成byte[]
再用加密时相同的加密方式及key进行解密。加密与解密代码几乎相同。唯一区别为在Cipher类init时，工作模式为Cipher.DECRYPT_MODE。

2.3 实现代码

/**
 * {@link http://www.cnblogs.com/allanzhang/}
 * @author 小卖铺的老爷爷
 *
 */
public class DESTest 
{
    public static final String src = "laoyeye des";
    public static void main(String[] args) 
    {
        jdkDES();
        bcDES();
    }
    
    // 用jdk实现:
    public static void jdkDES()
    {
        try 
        {
            // 生成KEY
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DES");            
            keyGenerator.init(56);
            // 产生密钥
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            // 获取密钥
            byte[] bytesKey = secretKey.getEncoded();
            // KEY转换
            DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(bytesKey);
            SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            Key convertSecretKey = factory.generateSecret(desKeySpec);
            // 加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");//
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, convertSecretKey);
            byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
            System.out.println("jdk des encrypt:" + Hex.encodeHexString(result));
            // 解密
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, convertSecretKey);
            result = cipher.doFinal(result);
            System.out.println("jdk des decrypt:" + new String(result));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    // 用bouncy castle实现:
    public static void bcDES()
    {
        try 
        {
            Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
            // 生成KEY
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DES", "BC");
            keyGenerator.getProvider();
            keyGenerator.init(56);
            // 产生密钥
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            // 获取密钥
            byte[] bytesKey = secretKey.getEncoded();
            // KEY转换
            DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(bytesKey);
            SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            Key convertSecretKey = factory.generateSecret(desKeySpec);
            // 加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, convertSecretKey);
            byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
            System.out.println("bc des encrypt:" + Hex.encodeHexString(result));
            // 解密
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, convertSecretKey);
            result = cipher.doFinal(result);
            System.out.println("bc des decrypt:" + new String(result));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

View Code

3、3DES(Triple Data Encryption Algorithm，三重数据加密算法)

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。来源：百度百科

DES被很多密码学机构质疑,因为算法是半公开的,因此违反柯克霍夫原则,所以在这个基础上,延伸了3重DES.

3.1 算法流程：

发送者构建秘钥-->发送秘钥--> 接收者

发送者明文-->3DES算法+秘钥加密--> 密文--> 接收者

接收者--> 3DES算法+秘钥解密--> 明文

3DES与实现DES方式基本一致，算法名称要改为DESede，密钥长度为168，转换密钥时使用DESedeKeySpec类。

3.2 实现代码

/**
 * {@link http://www.cnblogs.com/allanzhang/}
 * @author 小卖铺的老爷爷
 *
 */
public class DES3Test 
{
    public static final String src = "laoyeye 3des";
    public static void main(String[] args) 
    {
        jdk3DES();
        bc3DES();
    }
    
    // 用jdk实现:
    public static void jdk3DES()
    {
        try 
        {
            // 生成KEY
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DESede");    
            // 必须长度是：112或168
//            keyGenerator.init(168);
            keyGenerator.init(new SecureRandom());//new SecureRandom()会根据算法，设置默认的长度
            // 产生密钥
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            // 获取密钥
            byte[] bytesKey = secretKey.getEncoded();
            // KEY转换
            DESedeKeySpec desKeySpec = new DESedeKeySpec(bytesKey);
            SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
            Key convertSecretKey = factory.generateSecret(desKeySpec);
            // 加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, convertSecretKey);
            byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
            System.out.println("jdk 3des encrypt:" + Hex.encodeHexString(result));
            // 解密
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, convertSecretKey);
            result = cipher.doFinal(result);
            System.out.println("jdk 3des decrypt:" + new String(result));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    // 用bouncy castle实现:
    public static void bc3DES()
    {
        try 
        {
            Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
            // 生成KEY
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DESede", "BC");
            keyGenerator.getProvider();
            keyGenerator.init(168);
            // 产生密钥
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            // 获取密钥
            byte[] bytesKey = secretKey.getEncoded();
            // KEY转换
            DESedeKeySpec desKeySpec = new DESedeKeySpec(bytesKey);
            SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
            Key convertSecretKey = factory.generateSecret(desKeySpec);
            // 加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, convertSecretKey);
            byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
            System.out.println("bc 3des encrypt:" + Hex.encodeHexString(result));
            // 解密
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, convertSecretKey);
            result = cipher.doFinal(result);
            System.out.println("bc 3des decrypt:" + new String(result));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

View Code

3重DES与DES的区别:
1.密钥长度增长(168)
2.迭代次数提高
3.重DES在实际应用中是应用最多的。

4、AES(Advanced Encryption Standard，高级加密标准)

高级加密标准（英语：Advanced Encryption Standard，缩写：AES），在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。来源：百度百科

AES是目前使用最多的对称加密算法之一，AES至今尚未听说有被破解的案例。
AES通常用于移动通信系统加密以及基于SSH协议的软件,如SSH Client,secureCRT
AES是用来替代DES的,因为DES有很多被破解，而3DES效率又比较慢

AES加密算法的默认密钥长度为128,还可以选择192、256.
注意:JDK实现AES算法,使用256位密钥长度时要获得无政策限制权限文件,BC不会存在该问题。无政策限制权限是指某些国家的进口管制限制，java发布的运行环境包中中的加解密有一定限制。

4.1 算法流程：

发送者构建秘钥-->发送秘钥--> 接收者

发送者明文-->AES算法+秘钥加密--> 密文--> 接收者

接收者--> AES算法+秘钥解密--> 明文

4.2 实现步骤

1.根据算法创建key生成器
2.指定密钥长度
3.生成密钥对象
4.获取密钥
5.转换密钥,有两种方式

1.使用SecretKeySpec,构造参数为密钥、算法名,直接返回SecretKey.该方式适用于MAC、AES
2.使用XXXKeySpec,构造参数密钥,再使用SecretKeyFactory的getInstance(),参数是算法名,然后再使用generateSecret()方法,参数是XXXKeySpec.该方式适用于DES

6.创建密码对象Cipher,参数是算法/工作模式/填充方式.
7.初始化密钥,参数是加解密模式、密钥.
8.执行方法,doFinal(byte[] b)

4.3 实现代码

/**
 * {@link http://www.cnblogs.com/allanzhang/}
 * @author 小卖铺的老爷爷
 *
 */
public class AESTest 
{
    public static final String src = "laoyeye aes";
    public static void main(String[] args) 
    {
        jdkAES();
        bcAES();
    }
    
    // 用jdk实现:
    public static void jdkAES()
    {
        try 
        {
            // 生成KEY
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");            
            keyGenerator.init(128);
            // 产生密钥
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            // 获取密钥
            byte[] keyBytes = secretKey.getEncoded();    
            // KEY转换
            Key key = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");
            // 加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
            byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
            System.out.println("jdk aes encrypt:" + Hex.encodeHexString(result));
            // 解密
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
            result = cipher.doFinal(result);
            System.out.println("jdk aes decrypt:" + new String(result));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    // 用bouncy castle实现:
    public static void bcAES()
    {
        try 
        {
            Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
            // 生成KEY
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES", "BC");    
            keyGenerator.getProvider();
            keyGenerator.init(128);
            // 产生密钥
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            // 获取密钥
            byte[] keyBytes = secretKey.getEncoded();
            // KEY转换
            Key key = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");
            // 加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
            byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
            System.out.println("bc aes encrypt:" + Hex.encodeHexString(result));
            // 解密
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
            result = cipher.doFinal(result);
            System.out.println("bc aes decrypt:" + new String(result));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

View Code

5、PBE(Password-based encryption，基于密码验证)

PBE算法（Password Based Encryption，基于口令加密）是一种基于口令的加密算法，其特点是使用口令代替了密钥，而口令由用户自己掌管，采用随机数杂凑多重加密等方法保证数据的安全性。PBE算法在加密过程中并不是直接使用口令来加密，而是加密的密钥由口令生成，这个功能由PBE算法中的KDF函数完成。KDF函数的实现过程为：将用户输入的口令首先通过“盐”（salt）的扰乱产生准密钥，再将准密钥经过散列函数多次迭代后生成最终加密密钥，密钥生成后，PBE算法再选用对称加密算法对数据进行加密，可以选择DES、3DES、RC5等对称加密算法。来源：百度百科

特点：

结合了消息摘要算法和对称加密算法的优点，本质上是对MD5/SHA以及DES/3DES/AES算法的包装，不是新的算法，不过也是最为牛逼的一种方式。
盐：指加密的随机字符串或者口令等，也可以人为是一些扰码，防止密码的暴力破解

5.1 算法流程：

发送者构建口令-->发送口令--> 接收者

发送者构建盐

发送者明文-->PBE算法+口令+盐加密--> 密文（同时发送盐）--> 接收者

接收者--> PBE算法+口令+盐解密--> 明文

5.2 实现代码

/**
 * {@link http://www.cnblogs.com/allanzhang/}
 * @author 小卖铺的老爷爷
 *
 */
public class PBETest {
    public static final String src = "laoyeye pbe";
    public static void main(String[] args) 
    {
        jdkPBE();
    }

    // 用jdk实现:
    public static void jdkPBE()
    {
        try 
        {
            // 初始化盐
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            byte[] salt = random.generateSeed(8);
            // 口令与密钥
            String password = "laoyeye";
            PBEKeySpec pbeKeySpec = new PBEKeySpec(password.toCharArray()); 
            SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBEWITHMD5andDES");
            Key key = factory.generateSecret(pbeKeySpec);                        
            // 加密
            PBEParameterSpec pbeParameterSpac = new PBEParameterSpec(salt, 100);//参数：盐和迭代次数
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("PBEWITHMD5andDES");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, pbeParameterSpac);
            byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
            System.out.println("jdk pbe encrypt:" + Hex.encodeHexString(result));
            // 解密
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, pbeParameterSpac);
            result = cipher.doFinal(result);
            System.out.println("jdk pbe decrypt:" + new String(result));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
}

View Code

总结：
1：DES是最基本的算法，出身比较好美国军方通过IBM来实现的
2：3DES由于DES有漏洞不安全，所以，产生了3DES,应用更加的广泛，不过效率不高，所以才有了后来的AES
3：AES是应用更加广泛的一种对称加密算法，安全性更高
4：PBE本质是其他对称加密算法一种综合，加入了盐（随机字符串）防止密码的暴力破解

注意：实际的加密解密不是在一起的，通常是将秘钥发送给解密的那一方来实现的，或者实现约定好了的

源码：

https://git.oschina.net/allanzhang/checkcode.git

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