DES、3DES、AES、PBE對(duì)稱加密算法實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

作者：薛勤 2019-08-02 10:43:57

對(duì)稱加密算法是應(yīng)用較早的加密算法，技術(shù)成熟。在對(duì)稱加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)信方將明文和加密密鑰一起經(jīng)過(guò)特殊加密算法處理后，使其變成復(fù)雜的加密密文發(fā)送出去。

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1.對(duì)稱加密算法概述

對(duì)稱加密算法是應(yīng)用較早的加密算法，技術(shù)成熟。在對(duì)稱加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)信方將明文和加密密鑰一起經(jīng)過(guò)特殊加密算法處理后，使其變成復(fù)雜的加密密文發(fā)送出去。收信方收到密文后，若想解讀原文，則需要使用加密用過(guò)的密鑰及相同算法的逆算法對(duì)密文進(jìn)行解密，才能使其恢復(fù)成可讀明文。

在對(duì)稱加密算法中，使用的密鑰只有一個(gè)，發(fā)收信雙方都使用這個(gè)密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，這就要求解密方事先必須知道加密密鑰。

對(duì)稱加密算法的特點(diǎn)是算法公開、計(jì)算量小、加密速度快、加密效率高。

不足之處是，交易雙方都使用同樣鑰匙，安全性得不到保證。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用的對(duì)稱加密算法有DES和IDEA等。因?yàn)镈ES近年來(lái)屢屢被破解，所以，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局倡導(dǎo)的AES即將作為新標(biāo)準(zhǔn)取代DES。

2.對(duì)稱加密算法-DES

DES算法為密碼體制中的對(duì)稱密碼體制，又被稱為美國(guó)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，是1972年美國(guó)IBM公司研制的對(duì)稱密碼體制加密算法。

明文按64位進(jìn)行分組，密鑰長(zhǎng)64位，密鑰事實(shí)上是56位參與DES運(yùn)算(第8、16、24、32、40、48、56、64位是校驗(yàn)位，使得每個(gè)密鑰都有奇數(shù)個(gè)1)分組后的明文組和56位的密鑰按位替代或交換的方法形成密文組的加密方法。

引入Bouncy Castle依賴：

<dependency> 
   <groupId>org.bouncycastle</groupId> 
   <artifactId>bcprov-jdk15</artifactId> 
   <version>1.46</version> 
</dependency>

引入Commons Codec依賴：

<dependency> 
   <groupId>commons-codec</groupId> 
   <artifactId>commons-codec</artifactId> 
   <version>1.10</version> 
</dependency>

Java代碼實(shí)現(xiàn)：

import java.security.Key; 
import java.security.Security; 
import javax.crypto.Cipher; 
import javax.crypto.KeyGenerator; 
import javax.crypto.SecretKey; 
import javax.crypto.SecretKeyFactory; 
import javax.crypto.spec.DESKeySpec; 
import org.apache.commons.codec.binary.Hex; 
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider; 
 
public class DES { 
 
  public static final String src = "des test"; 
 
  public static void main(String[] args) { 
    jdkDES(); 
    bcDES(); 
  } 
 
  // 用jdk實(shí)現(xiàn): 
  public static void jdkDES() { 
    try { 
      // 生成KEY 
      KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DES"); 
      keyGenerator.init(56); 
      // 產(chǎn)生密鑰 
      SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey(); 
      // 獲取密鑰 
      byte[] bytesKey = secretKey.getEncoded(); 
 
      // KEY轉(zhuǎn)換 
      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實(shí)現(xiàn): 
  public static void bcDES() { 
    try { 
      Security.addProvider(new BouncyCastleProvider()); 
 
      // 生成KEY 
      KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DES", "BC"); 
      keyGenerator.getProvider(); 
      keyGenerator.init(56); 
      // 產(chǎn)生密鑰 
      SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey(); 
      // 獲取密鑰 
      byte[] bytesKey = secretKey.getEncoded(); 
 
      // KEY轉(zhuǎn)換 
      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(); 
    } 
  } 
}

應(yīng)用例子：

3.對(duì)稱加密算法-3DES

密碼學(xué)中，三重?cái)?shù)據(jù)加密算法(英語(yǔ)：Triple Data Encryption Algorithm，縮寫為TDEA，Triple DEA)，或稱3DES(Triple DES)，是一種對(duì)稱密鑰加密塊密碼，相當(dāng)于是對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊應(yīng)用三次數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)算法。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的增強(qiáng)，原版DES密碼的密鑰長(zhǎng)度變得容易被暴力破解;3DES即是設(shè)計(jì)用來(lái)提供一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，即通過(guò)增加DES的密鑰長(zhǎng)度來(lái)避免類似的攻擊，而不是設(shè)計(jì)一種全新的塊密碼算法。

Java代碼實(shí)現(xiàn)：

import java.security.Key; 
import java.security.SecureRandom; 
import java.security.Security; 
import javax.crypto.Cipher; 
import javax.crypto.KeyGenerator; 
import javax.crypto.SecretKey; 
import javax.crypto.SecretKeyFactory; 
import javax.crypto.spec.DESedeKeySpec; 
import org.apache.commons.codec.binary.Hex; 
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider; 
 
public class DES3 { 
 
  public static final String src = "3des test"; 
 
  public static void main(String[] args) { 
    jdk3DES(); 
    bc3DES(); 
  } 
 
  // 用jdk實(shí)現(xiàn): 
  public static void jdk3DES() { 
    try { 
      // 生成KEY 
      KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DESede"); 
      // 必須長(zhǎng)度是：112或168 
//            keyGenerator.init(168); 
      keyGenerator.init(new SecureRandom()); 
      // 產(chǎn)生密鑰 
      SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey(); 
      // 獲取密鑰 
      byte[] bytesKey = secretKey.getEncoded(); 
 
      // KEY轉(zhuǎn)換 
      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實(shí)現(xiàn): 
  public static void bc3DES() { 
    try { 
      Security.addProvider(new BouncyCastleProvider()); 
 
      // 生成KEY 
      KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DESede", "BC"); 
      keyGenerator.getProvider(); 
      keyGenerator.init(168); 
      // 產(chǎn)生密鑰 
      SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey(); 
      // 獲取密鑰 
      byte[] bytesKey = secretKey.getEncoded(); 
 
      // KEY轉(zhuǎn)換 
      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(); 
    } 
  } 
}

4.對(duì)稱加密算法-AES

高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(英語(yǔ)：Advanced Encryption Standard，縮寫：AES)，在密碼學(xué)中又稱Rijndael加密法，是美國(guó)聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)替代原先的DES，已經(jīng)被多方分析且廣為全世界所使用。經(jīng)過(guò)五年的甄選流程，高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)于2001年11月26日發(fā)布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成為有效的標(biāo)準(zhǔn)。2006年，高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)已然成為對(duì)稱密鑰加密中最流行的算法之一。

該算法為比利時(shí)密碼學(xué)家Joan Daemen和Vincent Rijmen所設(shè)計(jì)，結(jié)合兩位作者的名字，以Rijndael為名投稿高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)的甄選流程。(Rijndael的發(fā)音近于"Rhine doll")

Java代碼實(shí)現(xiàn)：

import java.security.Key; 
import java.security.Security; 
import javax.crypto.Cipher; 
import javax.crypto.KeyGenerator; 
import javax.crypto.SecretKey; 
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec; 
import org.apache.commons.codec.binary.Hex; 
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider; 
 
public class AES { 
 
  public static final String src = "aes test"; 
 
  public static void main(String[] args) { 
    jdkAES(); 
    bcAES(); 
  } 
 
  // 用jdk實(shí)現(xiàn): 
  public static void jdkAES() { 
    try { 
      // 生成KEY 
      KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES"); 
      keyGenerator.init(128); 
      // 產(chǎn)生密鑰 
      SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey(); 
      // 獲取密鑰 
      byte[] keyBytes = secretKey.getEncoded(); 
 
      // KEY轉(zhuǎn)換 
      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實(shí)現(xiàn): 
  public static void bcAES() { 
    try { 
      Security.addProvider(new BouncyCastleProvider()); 
 
      // 生成KEY 
      KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES", "BC"); 
      keyGenerator.getProvider(); 
      keyGenerator.init(128); 
      // 產(chǎn)生密鑰 
      SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey(); 
      // 獲取密鑰 
      byte[] keyBytes = secretKey.getEncoded(); 
 
      // KEY轉(zhuǎn)換 
      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(); 
    } 
  } 
}

5.對(duì)稱加密算法-PBE

PBE算法(Password Based Encryption，基于口令加密)是一種基于口令的加密算法，其特點(diǎn)是使用口令代替了密鑰，而口令由用戶自己掌管，采用隨機(jī)數(shù)雜湊多重加密等方法保證數(shù)據(jù)的安全性。

PBE算法在加密過(guò)程中并不是直接使用口令來(lái)加密，而是加密的密鑰由口令生成，這個(gè)功能由PBE算法中的KDF函數(shù)完成。KDF函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：將用戶輸入的口令首先通過(guò)“鹽”(salt)的擾亂產(chǎn)生準(zhǔn)密鑰，再將準(zhǔn)密鑰經(jīng)過(guò)散列函數(shù)多次迭代后生成最終加密密鑰，密鑰生成后，PBE算法再選用對(duì)稱加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，可以選擇DES、3DES、RC5等對(duì)稱加密算法。

具體實(shí)現(xiàn)如下：

Java代碼實(shí)現(xiàn)：

import java.security.Key; 
import java.security.SecureRandom; 
import javax.crypto.Cipher; 
import javax.crypto.SecretKeyFactory; 
import javax.crypto.spec.PBEKeySpec; 
import javax.crypto.spec.PBEParameterSpec; 
import org.apache.commons.codec.binary.Hex; 
 
public class PBE { 
 
  public static final String src = "pbe test"; 
 
  public static void main(String[] args) { 
    jdkPBE(); 
  } 
 
  // 用jdk實(shí)現(xiàn): 
  public static void jdkPBE() { 
    try { 
      // 初始化鹽 
      SecureRandom random = new SecureRandom(); 
      byte[] salt = random.generateSeed(8); 
 
      // 口令與密鑰 
      String password = "timliu"; 
      PBEKeySpec pbeKeySpec = new PBEKeySpec(password.toCharArray()); 
      SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBEWITHMD5andDES"); 
      Key key = factory.generateSecret(pbeKeySpec); 
 
      // 加密 
      PBEParameterSpec pbeParameterSpac = new PBEParameterSpec(salt, 100); 
      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(); 
    } 
  } 
}