java实现对称加密—基本实现

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前言

项目中经常会对数据库的密码加密后放到配置文件中，启动项目连接数据库时再对其进行解密，此加密与解密过程一般采用对称加密算法。本篇主要介绍什么是对称加密算法及如何用java实现，之后一篇说明项目中的实际应用

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一、什么是对称密码体制

对称密码体制的保密通信模型如下图所示，解密是加密的逆运算。通信双方共享同一个密钥，该密钥称为秘密密钥。

对称密码根据加密方式分为两种：一种是对明文的单个位（或字节）进行运算，称为流密码（这里不做介绍），另一种是把明文信息划分成不同的组结构，分别对每个组进行加密与解密，称为分组密码（重点）。
分组密码又有不同的工作模式，如ECB模式，CBC模式，CFB模式等。

二、对称加密算法家谱

目前已知通过java语言实现的对称密码算法有20多种，如常用的DES,DESede,AES,Blowfish等算法。其他算法(如IDEA算法)需要通过第三方机密软件包Bouncy Castle算法提供实现。
DES算法密钥偏短，仅56位，迭代次数偏少，已不安全。笔者在实际项目中使用最多的AES算法

三、java代码实现

1.引入jar包

JDK提供了多种算法支持，但并不完善，许多加密强度较高的算法，JDK未能提供，我们可以引入Bouncy Castle

<dependency>
     <groupId>org.bouncycastlegroupId>
     <artifactId>bcprov-jdk15onartifactId>
     <version>1.67version>
 dependency>

Commons Codec对JDK原生api进行了良好的封装，提高了方法的易用性

 <dependency>
      <groupId>commons-codecgroupId>
      <artifactId>commons-codecartifactId>
      <version>1.14version>
 dependency>

2.DES实现

密钥长度与安全性成正比，jdk仅支持56位密钥长度，作为补充Bouncy Castle提供了64位密钥长度支持

算法	密钥长度	长度默认值	工作模式	填充方式	备注
DES	56	56	ECB、CBC、PCBC、CTR等	NoPadding PKCS5Pading ISO10126Padding	java8实现
DES	64	56	同上	同上 PKCS7Pading等	Bouncy Castle实现

public class DESUtil {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] plainTxt = "helloWorld".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        byte[] key = initKey();
        System.out.println("key:" + Base64.getEncoder().encodeToString(key));
        // Wrong IV length: must be 8 bytes long
        byte[] salt = secureRandom(8);
        byte[] encrypt = encrypt(plainTxt, salt, key);
        System.out.println("after encrypt:" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypt));
        byte[] decrypt = decrypt(encrypt, salt, key);
        System.out.println("after decrypt:" + new String(decrypt, StandardCharsets.UTF_8));
    }

    /**
     * 密钥算法
     */
    private static final String KEY_ALGORITHM = "DES";

    /**
     * 加密/解密
     * 

     * 算法/工作模式/填充方式
     * ECB mode cannot use IV（注意有些工作模式不支持IV）
     * Wrong IV length: must be 8 bytes long
     */
    private static final String CIPHER_ALGORITHM = "DES/CBC/PKCS5Padding";

    private static Key toKey(byte[] key) throws Exception {
        DESKeySpec spec = new DESKeySpec(key);
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        return keyFactory.generateSecret(spec);
    }

    /**
     * 加密
     * @param data 明文
     * @param salt IV
     * @param key 密钥材料
     * @return 密文
     * @throws Exception Exception
     */
    private static byte[] encrypt(byte[] data, byte[] salt, byte[] key) throws Exception {
        Key k = toKey(key);
//        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM, new BouncyCastleProvider());
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, k, new IvParameterSpec(salt));
        return cipher.doFinal(data);
    }

    /**
     * 解密
     * @param data 密文
     * @param salt iv(解密跟加密操作需使用同一个iv)
     * @param key 密钥
     * @return byte[] 明文
     * @throws Exception Exception
     */
    private static byte[] decrypt(byte[] data, byte[] salt, byte[] key) throws Exception {
        Key k = toKey(key);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM, new BouncyCastleProvider());
//        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, k, new IvParameterSpec(salt));
        return cipher.doFinal(data);
    }

    /**
     * 生成密钥
     * Java只支持56位密钥
     * Bouncy Castle支持64位密钥
     *
     * @return byte[] 二进制密钥
     * @throws Exception Exception
     */
    private static byte[] initKey() throws Exception {
        // new BouncyCastleProvider() 表示采用Bouncy Castle实现
        KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM, new BouncyCastleProvider());
//        KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        /**
         * Wrong keysize: must be equal to 56
         * sun的长度只能是56
         * bouncycastle的长度可以是64
         */
//        kg.init(56);
        kg.init(64);
        SecretKey secretKey = kg.generateKey();
        return secretKey.getEncoded();
    }

    /**
     * 获取指定长度IV值
     * 
     * @param len 长度
     * @return byte[]
     * @throws NoSuchAlgorithmException
     */
    private static byte[] secureRandom(int len) throws NoSuchAlgorithmException {
        SecureRandom random = SecureRandom.getInstanceStrong();
        byte[] bytes = new byte[len];
        random.nextBytes(bytes);
        return bytes;
    }
}

3.AES实现

AES算法成为DES算法的替代者，其实现称为其他对称加密算法实现的参考模型。以下为实现细节

算法	密钥长度	长度默认值	工作模式	填充方式	备注
AES	128、192、256	128	ECB、CBC、PCBC、CTR、CTS、CFB等	NoPadding PKCS5Pading ISO10126Padding	java8实现
AES	同上	同上	同上	同上 PKCS7Padding ZeroBytePadding	Bouncy Castle实现

public class AESUtil {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] plainTxt = "helloWorld".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        byte[] key = initKey();
        System.out.println("key:" + Base64.getEncoder().encodeToString(key));
        // Wrong IV length: must be 16 bytes long
        byte[] salt = secureRandom(16);
        byte[] encrypt = encrypt(plainTxt, salt, key);
        System.out.println("after encrypt:" + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypt));
        byte[] decrypt = decrypt(encrypt, salt, key);
        System.out.println("after decrypt:" + new String(decrypt, StandardCharsets.UTF_8));
    }

    /**
     * 密钥算法
     */
    private static final String KEY_ALGORITHM = "AES";

    /**
     * 加密/解密
     * 

     * 算法/工作模式/填充方式
     * ECB mode cannot use IV
     */
    private static final String CIPHER_ALGORITHM = "AES/CBC/PKCS7Padding";

    private static Key toKey(byte[] key) throws Exception {
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, KEY_ALGORITHM);
        return keySpec;
    }

    private static byte[] encrypt(byte[] data, byte[] salt, byte[] key) throws Exception {
        Key k = toKey(key);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM,new BouncyCastleProvider());
//        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, k, new IvParameterSpec(salt));
        return cipher.doFinal(data);
    }

    private static byte[] decrypt(byte[] data, byte[] salt, byte[] key) throws Exception {
        Key k = toKey(key);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM,new BouncyCastleProvider());
//        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, k, new IvParameterSpec(salt));
        return cipher.doFinal(data);
    }

    private static byte[] initKey() throws NoSuchAlgorithmException {
        KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        /**
         * Wrong keysize: must be equal to 128, 192 or 256
         * 128 或者192 或256
         */
        kg.init(128);
        SecretKey secretKey = kg.generateKey();
        return secretKey.getEncoded();
    }

    private static byte[] secureRandom(int len) throws NoSuchAlgorithmException {
        SecureRandom random = SecureRandom.getInstanceStrong();
        byte[] bytes = new byte[len];
        random.nextBytes(bytes);
        return bytes;
    }
}

四、分组密码的工作模式

分组密码对固定长度的一组明文进行加密，这一固定长度称为分组长度。分组长度与安全性成正比。
DES算法的分组长度是56位。但56位的分组长度已经不安全了，目前分组密码多选择128位作为算法的分组长度，如AES算法的分组长度就是128位。
DES算法根据其加密算法所定义的明文分组的大小（56位），将数据分隔成若干56位的加密区块，再以加密区块为单位，分别进行加密处理。如果最后剩下不足一个区块的大小，称之为短块，短块的处理方法有填充法，流密码加密法等
根据数据加密时每个加密区块之间的关联方式，可以分为以下4种工作模式

• 电子密码本模式——ECB
• 密文连接模式——CBC
• 密文反馈模式——CFB
• 输出反馈模式——OFB

AES算法在DES算法工作模式的基础上，还推荐了一种新的工作模式——计数器模式（CTR）
下面以项目中用到的CBC模式为例，画出其流程图

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总结

DES算法已不具备安全性，建议选择AES算法。笔者在项目中使用的对称加密算法为AES/CBC/PKCS5Padding，密钥长度为128和256位两种。AES算法的分组长度固定为128位，其强度由密钥长度决定。