对称加密算法DES、3DES原理和Java实现方式

jopen 4年前

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DES3DESTripleDES)、AESRC2RC4RC5Blowfish等。本文只介绍最常用的对称加密算法DES3DESTripleDES)和AES

2DES

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:KeyDataMode。其中Key8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;ModeDES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L0R0两部分,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……依此类推,最后一位是原来的第7位。L0R0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……D8R0=D57D49……D7

(2)逆置换

经过16次迭代运算后,得到L16R16,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
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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:
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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,SSLIPSec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:
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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:
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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, …, TnCTR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 = 12… n-1;

CTR解密公式如下:

Pj = Cj XOR Ek(Tj)

P*n = C*n XOR MSBu(Ek(Tn)) j = 12 … n-1;

AES CTR模式的结构如图5所示。 


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。
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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

         Java进行DES3DESAES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:

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import java.security.InvalidKeyException;  import java.security.Key;  import java.security.NoSuchAlgorithmException;  import java.security.SecureRandom;  import java.security.spec.InvalidKeySpecException;  import javax.crypto.Cipher;  import javax.crypto.SecretKey;  import javax.crypto.SecretKeyFactory;  import javax.crypto.spec.DESKeySpec;  import org.apache.commons.codec.binary.Base64;    /**   * DES加解密算法   * @author zhangchuanzhao   * 2015-11-4 下午5:00:43   */  public class DESUtil {      //算法名称       public static final String KEY_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      public static final String CIPHER_ALGORITHM = "DES/ECB/NoPadding";        /**       *          * 生成密钥key对象       * @param KeyStr 密钥字符串        * @return 密钥对象        * @throws InvalidKeyException          * @throws NoSuchAlgorithmException          * @throws InvalidKeySpecException          * @throws Exception        */      private static SecretKey keyGenerator(String keyStr) throws Exception {          byte input[] = HexString2Bytes(keyStr);          DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(input);          //创建一个密匙工厂,然后用它把DESKeySpec转换成          SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);          SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);          return securekey;      }        private static int parse(char c) {          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       public static byte[] HexString2Bytes(String hexstr) {          byte[] b = new byte[hexstr.length() / 2];          int j = 0;          for (int i = 0; i < b.length; i++) {              char c0 = hexstr.charAt(j++);              char c1 = hexstr.charAt(j++);              b[i] = (byte) ((parse(c0) << 4) | parse(c1));          }          return b;      }        /**        * 加密数据       * @param data 待加密数据       * @param key 密钥       * @return 加密后的数据        */      public static String encrypt(String data, String key) throws Exception {          Key deskey = keyGenerator(key);          // 实例化Cipher对象,它用于完成实际的加密操作          Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);          SecureRandom random = new SecureRandom();          // 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-tools.com/)的十六进制结果进行核对          for (int i = 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           return Base64.encodeBase64String(results);      }        /**        * 解密数据        * @param data 待解密数据        * @param key 密钥        * @return 解密后的数据        */      public static String decrypt(String data, String key) throws Exception {          Key deskey = keyGenerator(key);          Cipher cipher = 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          return new String(cipher.doFinal(Base64.decodeBase64(data)));      }        public static void main(String[] args) throws Exception {          String source = "zchuzhao";          System.out.println("原文: " + source);          String key = "AABBCCDDEEFF1122";          String encryptData = encrypt(source, key);          System.out.println("加密后: " + encryptData);          String decryptData = decrypt(encryptData, key);          System.out.println("解密后: " + decryptData);      }  }

    测试结果:

原文: zchuzhao

-109 -80 -84 94 101 -26 113 7 

加密后: k7CsXmXmcQc=

解密后: zchuzhao


33DES

3.1 概述

3DES(或称为Triple DES)是三重数据加密算法TDEATriple 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356位的密钥 数据进行三次加密。3DES(即Triple DES)是DESAES过渡的加密算法1999年,NIST3-DES指定为过渡的加密标准)。

其具体实现如下:设Ek()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:

import java.security.InvalidKeyException;  import java.security.Key;    import java.security.NoSuchAlgorithmException;  import java.security.Security;  import java.security.spec.InvalidKeySpecException;    import javax.crypto.Cipher;  import javax.crypto.SecretKeyFactory;  import javax.crypto.spec.DESedeKeySpec;  import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;      public class ThreeDESUtil {      // 算法名称       public static final String KEY_ALGORITHM = "desede";      // 算法名称/加密模式/填充方式       public static final String CIPHER_ALGORITHM = "desede/CBC/NoPadding";        /**        * CBC加密        * @param key 密钥        * @param keyiv IV        * @param data 明文        * @return Base64编码的密文        * @throws Exception        */      public static byte[] des3EncodeCBC(byte[] key, byte[] keyiv, byte[] data) throws Exception {          Key deskey = keyGenerator(new String(key));          Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);          IvParameterSpec ips = new IvParameterSpec(keyiv);          cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey, ips);          byte[] bOut = cipher.doFinal(data);          for (int k = 0; k < bOut.length; k++) {              System.out.print(bOut[k] + " ");          }          System.out.println("");          return bOut;      }        /**        *          * 生成密钥key对象        * @param KeyStr 密钥字符串        * @return 密钥对象        * @throws InvalidKeyException          * @throws NoSuchAlgorithmException          * @throws InvalidKeySpecException          * @throws Exception        */      private static Key keyGenerator(String keyStr) throws Exception {          byte input[] = HexString2Bytes(keyStr);          DESedeKeySpec KeySpec = new DESedeKeySpec(input);          SecretKeyFactory KeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);          return ((Key) (KeyFactory.generateSecret(((java.security.spec.KeySpec) (KeySpec)))));      }        private static int parse(char c) {          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       public static byte[] HexString2Bytes(String hexstr) {          byte[] b = new byte[hexstr.length() / 2];          int j = 0;          for (int i = 0; i < b.length; i++) {              char c0 = hexstr.charAt(j++);              char c1 = hexstr.charAt(j++);              b[i] = (byte) ((parse(c0) << 4) | parse(c1));          }          return b;      }        /**        * 3des解密        * @param key 密钥        * @param keyiv IV        * @param data Base64编码的密文        * @return 明文        * @throws Exception        */      public static byte[] des3DecodeCBC(byte[] key, byte[] keyiv, byte[] data) throws Exception {          Key deskey = keyGenerator(new String(key));          Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);          IvParameterSpec ips = new IvParameterSpec(keyiv);          cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey, ips);          byte[] bOut = cipher.doFinal(data);          return bOut;      }        public static void main(String[] args) throws Exception {          byte[] key = "6C4E60E55552386C759569836DC0F83869836DC0F838C0F7".getBytes();          byte[] keyiv = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 };          byte[] data = "zchuzhao".getBytes("UTF-8");          System.out.println("data.length=" + data.length);          System.out.println("3des加密解密");          byte[] str5 = des3EncodeCBC(key, keyiv, data);          System.out.println(new sun.misc.BASE64Encoder().encode(str5));            byte[] str6 = des3DecodeCBC(key, keyiv, str5);          System.out.println(new String(str6, "UTF-8"));      }  }

     测试结果如下所示:

data.length=8

3des加密解密

-33 50 107 43 -20 -127 52 17 

3zJrK+yBNBE=

zchuzhao