Java加密解密方法大全


ChinaSEI系列讲义(By郭克华) Java 加密解密方法大全 如果有文字等小错,请多包涵。在不盈利的情况下,欢迎免费传播。 版权所有.郭克华 本讲义经过修正、扩充,由清华大学出版社出版。 详细可查询 http://www.china-pub.com/51834 http://product.dangdang.com/product.aspx?product_id=20862469 【1】加密概述 〖1-1〗加密的应用 加密是以某种特殊的算法改变原有的信息数据,使得未授权的用户即使获得了已加密 的信息,但因不知解密的方法,仍然无法了解信息的内容。数据加密技术已经广泛应用于 因特网电子商务、手机网络和银行自动取款机等领域。加密系统中有如下重要概念: 1:明文。被隐蔽的消息称作明文(plaintext)。 2:密文。隐蔽后的消息称作密文(ciphertext)。 3.加密。将明文变换成密文的过程称作加密(encryption)。 4:解密。由密文恢复出原明文的过程称作解密(decryption)。 5:敌方。主要指非授权者,通过各种办法,窃取机密信息。 6:被动攻击。获密文进行分析,这类攻击称作被动攻击(passive attack) 。 7:主动攻击。非法入侵者(tamper)采用篡改、伪造等手段向系统注入假消息,称为主 动攻击(active attack)。 8:加密算法。对明文进行加密时采用的算法。 9:解密算法。对密文进行解密时采用算法。 10:加密密钥和解密密钥。加密算法和解密算法的操作通常是在一组密钥( key)的 控制下进行的,分别称为加密密钥(encryption key)和解密密钥(decryption key)。 在加密系统中,加密算法和密钥是最重要的两个概念。在这里需要对加密算法和密钥 进行一个解释。以最简单的“恺撒加密法”为例。 《高卢战记》有描述恺撒曾经使用密码来传递信息,即所谓的“恺撒密码”。它是一种 替代密码,通过将字母按顺序推后 3 位起到加密作用,如将字母 A 换作字母 D,将字母 B 换作字母 E。如“China”可以变为“Fklqd”;解密过程相反。 在这个简单的加密方法中,“向右移位”,可以理解为加密算法;“3”可以理解为加密 密钥。对于解密过程,“向左移位”,可以理解为解密算法;“3”可以理解为解密密钥。显 然,密钥是一种参数,它是在明文转换为密文或将密文转换为明文的算法中输入的数据。 恺撒加密法的安全性来源于两个方面:第一,对加密算法的隐藏;第二,对密钥的隐 蔽。单单隐蔽加密算法以保护信息,在学界和业界已有相当讨论,一般认为是不够安全的。 公开的加密算法是给黑客长年累月攻击测试,对比隐蔽的加密算法要安全多。一般说来, 加密之所以安全,是因为其加密的密钥的隐藏,并非加密解密算法的保密。而流行的一些 加密解密算法一般是完全公开的。敌方如果取得已加密的数据,即使得知加密算法,若没 有密钥,也不能进行解密。 〖1-2〗常见的加密算法 加密技术从本质上说是对信息进行编码和解码的技术。加密是将可读信息(明文)变 为代码形式(密文);解密是加密的逆过程,相当于将密文变为明文。加密算法有很多种, 一般可分为对称加密、非对称加密和单向加密三类算法。 对称加密算法应用较早,技术较为成熟。其过程如下: 安全编程技术 1:发送方将明文和加密密钥一起经过加密算法处理,变成密文,发送出去。 2:接收方收到密文后,使用加密密钥及相同算法的逆算法对密文解密,恢复为明文。 在对称加密算法中,双方使用的密钥相同,要求解密方事先必须知道加密密钥。其特 点是算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。不足之处是,通信双方都使用同样 的密钥,安全性得不到保证。此外,用户每次使用该算法,需要保证密钥的唯一性,使得 双方所拥有的密钥数量很大,密钥管理较为困难。对称加密算法中,目前流行的算法有: DES、3DES 和 IDEA 等,美国国家标准局倡导的 AES 即将作为新标准取代 DES。 与对称加密算法不同,非对称加密算法需要两个密钥:公开密钥(publickey)和私有 密钥(privatekey)。每个人拥有这两个密钥,公开密钥对外公开,私有密钥不公开。如果 用公开密钥对数据进行加密,只有用对应的私有密钥才能解密;如果用私有密钥对数据进 行加密,那么只有用对应的公开密钥才能解密。 非对称加密算法的基本过程是: 1:通信前,接收方随机生成的公钥,发送给发送方,自己保留私钥。 2:发送方利用接收方的公钥加密明文,使其变为密文。 3:接收方收到密文后,使用自己的私钥解密密文。 广泛应用的非对称加密算法有 RSA 算法和美国国家标准局提出的 DSA。非对称加密 算法的保密性比较好,它消除了最终用户交换密钥的需要,但加密和解密花费时间长、速 度慢,它不适合于对文件加密而只适用于对少量数据进行加密。 另一类是单向加密算法。该算法在加密过程中不需要使用密钥,输入明文后由系统直 接经过加密算法处理成密文,密文无法解密。只有重新输入明文,并经过同样的加密算法 处理,得到相同的密文并被系统重新识别后,才能真正解密。该方法计算复杂,通常只在 数据量有限的情形下使用,如广泛应用在计算机系统中的口令加密。近年来,单向加密的 应用领域正在逐渐增大。应用较多单向加密算法的有 RSA 公司发明的 MD5 算法和美国国 家安全局(NSA) 设计,美国国家标准与技术研究院(NIST) 发布 SHA (Secure Hash Algorithm,安全散列算法)。 大多数语言体系(如.net、Java)都具有相关的 API 支持各种加密算法。本章以 Java 语言为例来阐述加密解密过程,这些算法在其他语言中的实现,读者可以参考相关资料。 【2】实现对称加密 如前所述,对称加密算法过程中,发送方将明文和加密密钥一起经过加密算法处理, 变成密文,发送出去;接收方收到密文后,使用加密密钥及相同算法的逆算法对密文解密, 恢复为明文。双方使用的密钥相同,要求解密方事先必须知道加密密钥。从这里可以得出 几个结论: 1:加密时使用什么密钥,解密时必须使用相同密钥,否则无法解密。 2:对同样的信息,不同的密钥,加密结果和解密结果理论上不相同。 本节介绍三种流行的对称加密算法:DES、3DES 和 AES。 〖2-1〗用Java实现DES DES 是数据加密标准(Data Encryption Standard)的简称,出自 IBM 的研究工作, x 2 x 并在 1977 年被美国政府正式采纳。它是使用较为广泛的密钥系统,最初开发 DES 是嵌 入硬件中,DES 特别是在保护金融数据的安全,如自动取款机中,使用较多。 在 DES 中,使用了一个 56 位的密钥以及附加的 8 位奇偶校验位,产生最大 64 位的 分组大小。加密过程中,将加密的文本块分成两半。使用子密钥对其中一半应用循环功能, 然后将输出与另一半进行“异或”运算;接着交换这两半。循环往复。DES 使用 16 个循 环,但最后一个循环不交换。 攻击 DES,一般只能使用穷举的密钥搜索,即重复尝试各种密钥直到有一个符合为 止。如果 DES使用 56 位的密钥,则可能的密钥数量是 256个,穷举难度较大。IBM曾对 DES拥有几年的专利权,但在 1983 年到期。 关于 DES 的其他信息,可以参考相关资料。 在对称加密中,解密和加密的密钥一定要相同。以下代码是用 Java 语言实现将一个字 符串“郭克华_安全编程技术”先加密,然后用同样的密钥解密的过程。不过,由于本书 不是讲解某种语言本身,所以在这里略过 Java 加密体系的讲解,在代码中如果出现新的 API,读者可以参考 Java 文档。 P12_01.java import javax.crypto.Cipher; import javax.crypto.KeyGenerator; import javax.crypto.NoSuchPaddingException; import javax.crypto.SecretKey; import java.security.NoSuchAlgorithmException; import java.security.Security; public class P12_01 { //KeyGenerator提供对称密钥生成器的功能,支持各种算法 private KeyGenerator keygen; //SecretKey负责保存对称密钥 private SecretKey deskey; //Cipher负责完成加密或解密工作 private Cipher c; //该字节数组负责保存加密的结果 private byte[] cipherByte; public P12_01() { Security.addProvider(new com.sun.crypto.provider.SunJCE()); try { //实例化支持DES算法的密钥生成器(算法名称命名需按规定,否则抛出异常) keygen = KeyGenerator.getInstance("DES"); x 3 x 安全编程技术 //生成密钥 deskey = keygen.generateKey(); //生成Cipher对象,指定其支持DES算法 c = Cipher.getInstance("DES"); } catch(NoSuchAlgorithmException ex) { ex.printStackTrace(); } catch(NoSuchPaddingException ex) { ex.printStackTrace(); } } /*对字符串str加密*/ public byte[] createEncryptor(String str) { try { //根据密钥,对Cipher对象进行初始化,ENCRYPT_MODE表示加密模式 c.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey); byte[] src = str.getBytes(); //加密,结果保存进cipherByte cipherByte = c.doFinal(src); } catch(java.security.InvalidKeyException ex) { ex.printStackTrace(); } catch(javax.crypto.BadPaddingException ex) { ex.printStackTrace(); } catch(javax.crypto.IllegalBlockSizeException ex) { ex.printStackTrace(); } return cipherByte; } /*对字节数组buff解密*/ x 4 x public byte[] createDecryptor(byte[] buff) { try { //根据密钥,对Cipher对象进行初始化,ENCRYPT_MODE表示解密模式 c.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey); //得到明文,存入cipherByte字符数组 cipherByte = c.doFinal(buff); } catch(java.security.InvalidKeyException ex) { ex.printStackTrace(); } catch(javax.crypto.BadPaddingException ex) { ex.printStackTrace(); } catch(javax.crypto.IllegalBlockSizeException ex) { ex.printStackTrace(); } return cipherByte; } public static void main(String[] args) throws Exception { P12_01 p12_01 = new P12_01(); String msg = "郭克华_安全编程技术"; System.out.println("明文是:" + msg); byte[] enc = p12_01.createEncryptor(msg); System.out.println("密文是:" + new String(enc)); byte[] dec = p12_01.createDecryptor(enc); System.out.println("解密后的结果是:" + new String(dec)); } } 运行,界面如下: 在不同的情况下,密文的内容会不一样。因为 KeyGenerator 每次生成的密钥是随机的, x 5 x 安全编程技术 这很容易理解,否则 DES 算法就没有安全性可言了。 〖2-2〗用Java实现 3DES 3DES,即三重 DES,是 DES 的加强版,也是 DES 的一个更安全的变形。它使用 3 条 56 位(共 168 位)的密钥对数据进行三次加密,一般情况下,提供了较为强大的安全 性。实际上,3DES 是 DES 向 AES 过渡的加密算法。1999 年,NIST 将 3-DES 指定为过渡 的加密标准。 3DES 以 DES 为基本模块,通过组合分组方法设计出分组加密算法。令 Ek()和 Dk() 表示 DES 算法的加密和解密过程,K 表示 DES 算法使用的密钥,P 表示明文,C 表示密 文。3DES 的具体实现过程如下: 1:加密过程:C=Ek3(Dk2(Ek1(P))) 2:解密过程为:P=Dk1((EK2(Dk3(C))) 从上述过程可以看出, K1、K2、K3 决定了算法的安全性。若三个密钥互不相同, 本质上就相当于用一个长为 168 位的密钥进行加密。若数据对安全性要求不高,K1 可等 于 K3。在这种情况下,密钥的有效长度为 112 位。 在 Java 的加密体系中,使用 3DES 非常简单,程序结构和使用 DES 时相同,只不过 在初始化时将算法名称由“DES”改为“DESede”即可。 下列程序基本原理和 P12_01 相同,只不过将加密和解密过程写在一起。 P12_02.java import java.security.Security; import javax.crypto.Cipher; import javax.crypto.KeyGenerator; import javax.crypto.SecretKey; public class P12_02 { public static void main(String[] args) throws Exception { //KeyGenerator提供对称密钥生成器的功能,支持各种算法 KeyGenerator keygen; //SecretKey负责保存对称密钥 SecretKey deskey; //Cipher负责完成加密或解密工作 Cipher c; Security.addProvider(new com.sun.crypto.provider.SunJCE()); //实例化支持3DES算法的密钥生成器,算法名称用DESede keygen = KeyGenerator.getInstance("DESede"); //生成密钥 deskey = keygen.generateKey(); x 6 x //生成Cipher对象,指定其支持3DES算法 c = Cipher.getInstance("DESede"); String msg = "郭克华_安全编程技术"; System.out.println("明文是:" + msg); //根据密钥,对Cipher对象进行初始化,ENCRYPT_MODE表示加密模式 c.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey); byte[] src = msg.getBytes(); //加密,结果保存进enc byte[] enc = c.doFinal(src); System.out.println("密文是:" + new String(enc)); //根据密钥,对Cipher对象进行初始化,ENCRYPT_MODE表示加密模式 c.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey); //解密,结果保存进dec byte[] dec = c.doFinal(enc); System.out.println("解密后的结果是:" + new String(dec)); } } 运行,效果如下: 〖2-3〗用Java实现AES AES 在密码学中是高级加密标准(Advanced Encryption Standard)的缩写,该算法是 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。最近,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。 AES 算法又称 Rijndael 加密法,该算法为比利时密码学家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 所设计,结合两位作者的名字,以 Rijndael 命名。AES 是美国国家标准技术研究所 NIST 旨在取代 DES 的 21 世纪的加密标准。 AES 算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对 AES 还有不同的看法,但总体来说,AES 作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、 高效率、易用和灵活等优点。AES 设计有三个密钥长度:128,192,256 位,相对而言, AES 的 128 密钥比 DES 的 56 密钥强得多。AES 算法主要包括三个方面:轮变化、圈数和 密钥扩展。关于其具体实现,读者可以参考密码学书籍。 以下代码是用 Java 语言实现 AES 算法,将一个字符串“郭克华_安全编程技术”先加 密,然后用同样的密钥解密。在代码中如果出现新的 API,读者可以参考 Java 文档。 x 7 x 安全编程技术 P12_03.java import java.security.Security; import javax.crypto.Cipher; import javax.crypto.KeyGenerator; import javax.crypto.SecretKey; public class P12_03 { public static void main(String[] args) throws Exception { //KeyGenerator提供对称密钥生成器的功能,支持各种算法 KeyGenerator keygen; //SecretKey负责保存对称密钥 SecretKey deskey; //Cipher负责完成加密或解密工作 Cipher c; Security.addProvider(new com.sun.crypto.provider.SunJCE()); //实例化支持AES算法的密钥生成器,算法名称用AES keygen = KeyGenerator.getInstance("AES"); //生成密钥 deskey = keygen.generateKey(); //生成Cipher对象,指定其支持AES算法 c = Cipher.getInstance("AES"); String msg = "郭克华_安全编程技术"; System.out.println("明文是:" + msg); //根据密钥,对Cipher对象进行初始化,ENCRYPT_MODE表示加密模式 c.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey); byte[] src = msg.getBytes(); //加密,结果保存进enc byte[] enc = c.doFinal(src); System.out.println("密文是:" + new String(enc)); //根据密钥,对Cipher对象进行初始化,ENCRYPT_MODE表示加密模式 c.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey); //解密,结果保存进dec byte[] dec = c.doFinal(enc); System.out.println("解密后的结果是:" + new String(dec)); } x 8 x
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springlin2012

贡献于2013-05-09

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