加密与安全_优雅存储二要素（AES-256-GCM ）

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什么是二要素

二要素（姓名和身份证）是敏感数据，，很多网站仅仅依靠二要素来确认你是谁，若以明文形式存储在数据库中，存在被攻破的风险。若这些信息被不法分子获取， 后果严重。

如何保护二要素（姓名和身份证）

单向散列算法，如MD5、SHA-256等，虽然可以对数据生成唯一的指纹，但由于其不可逆，无法用于加密需要解密的数据。因此，它不适合用于对二要素信息（如姓名和身份证）进行加密保存。

在此情况下，需要选择真正的加密算法来实现数据的加密存储与解密。

加密算法分类

1. 对称加密算法：- 对称加密算法依赖于一个相同的密钥，既用于加密，也用于解密。常见的对称加密算法包括AES、DES、3DES等。- 在通信场景中，加密方和解密方必须事先共享密钥，双方才能进行加密和解密。密钥的共享过程是该加密方式的关键挑战之一，因为如果密钥在传输过程中被窃取或泄露，加密数据就容易被解密，安全性将大打折扣。- 优点：对称加密的主要优势在于加密和解密的速度非常快，特别适合需要高效处理大量数据的场景。- 缺点：密钥分发的安全性是对称加密的主要隐患。如果在通信中，密钥传输不当导致泄露，攻击者可以利用该密钥轻松解密数据。
2. 非对称加密算法：- 非对称加密算法由一对密钥构成，分别为公钥（加密密钥）和私钥（解密密钥）。常见的非对称加密算法有RSA、DSA等。- 公钥可以任意公开，而私钥必须保持私密。使用公钥加密的数据只能由对应的私钥解密。因此，通信双方只需共享公钥即可，无需直接传输私钥，从而避免了密钥泄露的问题。- 优点：非对称加密解决了密钥分发的安全性问题，适合用在双方未建立密钥共享机制的场景。- 缺点：加密和解密的速度相对较慢，特别是在处理大数据量时性能不足。

场景选择

在需要加密保存二要素信息的场景下，加密和解密都是由同一个服务端程序执行，双方并不需要通过网络传输密钥，因此密钥分发的安全性问题不是关键点。相对而言，对称加密算法具有速度快、效率高的优势，更适合在服务端加密存储二要素数据。

因此，尽管非对称加密在解决密钥传输安全性上有独特优势，但在保存敏感数据的场景中，采用对称加密算法（如AES-CBC或AES-CTR模式）更为合适。

算法选择

对称加密常用算法有 DES、3DES 和 AES。

• DES 已被证明不安全，破解时间很短，不推荐使用。
• 3DES 通过三次 DES 串联调用解决了 DES 的安全性问题，但速度较慢，也不推荐使用。
• AES 是目前公认安全且高效的算法，采用 Rijndael 作为标准。

AES 是目前较为主流的对称加密算法，兼具高安全性和高性能。AES 是由 NIST 选拔出的 Rijndael 算法作为标准，支持分组加密模式。AES 每次处理 128 位明文，生成相应的 128 位密文。对于较长的明文，需要通过分组迭代加密。

AES - ECB 模式 (不推荐)

加密一段包含 16 个字符的字符串，得到密文 A；然后把这段字符串复制一份成为一个32 个字符的字符串，再进行加密得到密文 B。我们验证下密文 B 是不是重复了一遍的密文 A。

模拟银行转账的场景，假设整个数据由发送方账号、接收方账号、金额三个字段构成。我们尝试改变密文中数据的顺序来操纵明文

privatestaticfinalString KEY ="secretkey1234567";@GetMapping("ecb")publicvoidecb()throwsException{Cipher cipher =Cipher.getInstance("AES/ECB/NoPadding");test(cipher,null);}privatestaticSecretKeySpecsetKey(String secret){returnnewSecretKeySpec(secret.getBytes(),"AES");}privatestaticvoidtest(Cipher cipher,AlgorithmParameterSpec parameterSpec)throwsException{
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,setKey(KEY), parameterSpec);System.out.println("一次："+Hex.encodeHexString(cipher.doFinal("abcdefghijklmnop".getBytes())));System.out.println("两次："+Hex.encodeHexString(cipher.doFinal("abcdefghijklmnopabcdefghijklmnop".getBytes())));byte[] sender ="1000000000012345".getBytes();byte[] receiver ="1000000000034567".getBytes();byte[] money ="0000000010000000".getBytes();//加密发送方账号System.out.println("发送方账号："+Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(sender)));//加密接收方账号System.out.println("接收方账号："+Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(receiver)));//加密金额System.out.println("金额："+Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(money)));byte[] result = cipher.doFinal(ByteUtils.concatAll(sender, receiver, money));//加密三个数据System.out.println("完整数据："+Hex.encodeHexString(result));byte[] hack =newbyte[result.length];//把密文前两段交换System.arraycopy(result,16, hack,0,16);System.arraycopy(result,0, hack,16,16);System.arraycopy(result,32, hack,32,16);
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,setKey(KEY), parameterSpec);//尝试解密System.out.println("原始明文："+newString(ByteUtils.concatAll(sender, receiver, money)));System.out.println("操纵密文："+newString(cipher.doFinal(hack)));}

输出

一次：a6025aaadd429e8c13073fc3512a7250
两次：a6025aaadd429e8c13073fc3512a7250a6025aaadd429e8c13073fc3512a7250
发送方账号：fdfc03515d95e2fa33edc9ca67cf43ae
接收方账号：e70eecf4baa8decf117d294e12d850c0
金额：f317ed23783f4babb607bd88ba076d0c
完整数据：fdfc03515d95e2fa33edc9ca67cf43aee70eecf4baa8decf117d294e12d850c0f317ed23783f4babb607bd88ba076d0c
原始明文：100000000001234510000000000345670000000010000000
操纵密文：100000000003456710000000000123450000000010000000

如上代码示例展示了 ECB 模式的漏洞，攻击者可以在不解密的情况下操纵密文，实现对敏感数据（如银行转账信息）的修改。 -----> 在不知道密钥的情况下，我们操纵密文实现了对明文数据的修改，对调了发送方账号和接收方账号

原始明文：100000000001234510000000000345670000000010000000
操纵密文：100000000003456710000000000123450000000010000000

代码运行的结果证明了：

• 重复的明文生成相同的密文。
• 攻击者可以通过调换密文分组的顺序，达到修改明文数据的效果。
• 重复性问题：如果明文中有重复的分组，密文中也会出现重复，这会暴露明文的模式，存在规律性。
• 独立分组问题：每个分组独立加密和解密，攻击者可以通过交换密文分组的顺序来操控明文内容。

因此，ECB 模式简单但不安全，不推荐使用。

AES - CBC 模式

CBC 模式，在解密或解密之前引入了 XOR 运算，第一个分组使用外部提供的初始化向量IV，从第二个分组开始使用前一个分组的数据，这样即使明文是一样的，加密后的密文也是不同的，并且分组的顺序不能任意调换。这就解决了 ECB 模式的缺陷.

把之前的代码修改为 CBC 模式，再次进行测试

privatestaticfinalString initVector ="abcdefghijklmnop";@GetMapping("cbc")publicvoidcbc()throwsException{Cipher cipher =Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding");IvParameterSpec iv =newIvParameterSpec(initVector.getBytes("UTF-8"));test(cipher, iv);}

可以看到，相同的明文字符串复制一遍得到的密文并不是重复两个密文分组，并且调换密文分组的顺序无法操纵明文。

一次：6fa7a7b2c0979abecc1b59fe17b663c6
两次：6fa7a7b2c0979abecc1b59fe17b663c6e873cb4abb4b46b76cb748447373103c
发送方账号：ff4f74de614be6905951fa2ac68a529a
接收方账号：0dfdd3116d26dac4a7349167dfa0ce0a
金额：5521773b79160a1a51b9d8f8bfb0a346
完整数据：ff4f74de614be6905951fa2ac68a529abb54065906129619b122c978541f0076347086b16d09934e4f9d9dc4ab942af0
原始明文：100000000001234510000000000345670000000010000000
SD�A�x�%B[3t+B�Wi@��Cb��b�

GCM（Galois/Counter Mode）

AES-256-GCM简介

GCM（Galois/Counter Mode）

是一种结合计数器模式（

Counter Mode

）和

Galois

域认证的分组加密模式。它不仅能够提供高效的加密服务，还能实现消息认证（即验证消息的完整性和真实性）。与传统的CBC模式不同，GCM模式可以并行处理，极大提升了性能，特别适合高吞吐量的环境。

这是一种

AEAD

（

Authenticated Encryption with Associated Data

）认证加密算法，除了能实现普通加密算法提供的保密性之外，还能实现可认证性和密文完整性，是目前最推荐的 AES 模式。

使用类似 GCM 的 AEAD 算法进行加解密，除了需要提供初始化向量和密钥之外，还可以提供一个 AAD（附加认证数据，

additional authenticated data

），用于验证未包含在明文中的附加信息，解密时不使用加密时的 AAD 将解密失败。其实，GCM 模式的内部使用的就是 CTR 模式，只不过还使用了 GMAC 签名算法，对密文进行签名实现完整性校验。

AES-256-GCM工作原理

AES-256-GCM结合了AES-256加密算法和GCM模式，具备如下功能：

• 加密：数据通过AES-256加密算法被加密。
• 消息认证码（MAC）：在加密的同时，GCM模式会生成一个128位的消息认证码，用于验证数据的完整性和真实性。这一特性可以防止数据被篡改。
• 附加数据：GCM支持附加认证数据（AAD），这部分数据不会被加密，但会被用于认证。例如，网络协议中的头部信息可以作为AAD进行保护。

安全优势

相较于其他常见的模式，如CBC（Cipher Block Chaining），AES-256-GCM提供了显著的优势：

• 并行处理：GCM模式允许多线程并行处理，加速了加密和解密过程，非常适合高性能需求的场景。
• 集成认证：GCM不仅加密数据，还生成认证标签，保证数据的完整性和真实性。相比之下，像CBC这样的模式需要单独实现消息认证。
• 防御重放攻击：GCM模式通过计数器的设计，有效防止了重放攻击和其他类似的攻击手段。

应用场景

AES-256-GCM的广泛应用场景包括：

• TLS/SSL加密：TLS 1.3推荐使用AES-GCM模式进行数据加密，以确保网络通信的安全性。
• VPN：许多VPN协议（如IPSec）使用AES-256-GCM进行数据传输加密。
• 云存储加密：云服务供应商在存储敏感数据时经常采用AES-256-GCM，以确保数据的安全性和完整性。

其他模式 和 敏感数据加密建议

除了 ECB 模式外，AES 还有 CBC、CFB、OFB 和 CTR 模式。推荐使用 CBC 或 CTR 模式。ECB 和 CBC 模式需要设置合适的填充方式来处理超过一个分组的数据。

此外，对于敏感数据加密，建议：

1. 不要在代码中写死密钥或初始化向量（IV），应确保密钥和 IV 唯一、独立、且每次都变化。
2. 使用独立的加密服务来管理密钥，避免将密钥与密文存储在同一个数据库中，确保加密服务有严格的管控标准。
3. 数据库中不应保存明文敏感信息，可以存储脱敏数据，并在普通查询时使用脱敏信息。

Code

接下来，我们按照如上策略完成相关代码实现:

第一步，对于用户姓名和身份证，我们分别保存三个信息，脱敏后的明文、密文和加密ID。加密服务加密后返回密文和加密 ID，随后使用加密 ID 来请求加密服务进行解密

importlombok.Data;importjavax.persistence.Entity;importjavax.persistence.Id;@Data@EntitypublicclassUserData{@IdprivateLong id;privateString idcard;//脱敏的身份证privateLong idcardCipherId;//身份证加密IDprivateString idcardCipherText;//身份证密文privateString name;//脱敏的姓名privateLong nameCipherId;//姓名加密IDprivateString nameCipherText;//姓名密文}

第二步，加密服务数据表保存加密 ID、初始化向量和密钥。加密服务表中没有密文，实现了密文和密钥分离保存.

importlombok.Data;importjavax.persistence.Entity;importjavax.persistence.GeneratedValue;importjavax.persistence.Id;importstaticjavax.persistence.GenerationType.AUTO;@Data@EntitypublicclassCipherData{@Id@GeneratedValue(strategy = AUTO)privateLong id;privateString iv;//初始化向量privateString secureKey;//密钥}

第三步，加密服务使用 GCM 模式（ Galois/Counter Mode）的 AES-256 对称加密算法，也就是

AES-256-GCM

接下来，我们实现基于

AES-256-GCM

的加密服务，包含下面的主要逻辑：

• 加密时允许外部传入一个 AAD 用于认证，加密服务每次都会使用新生成的随机值作为密钥和初始化向量。
• 在加密后，加密服务密钥和初始化向量保存到数据库中，返回加密 ID 作为本次加密的标识。
• 应用解密时，需要提供加密 ID、密文和加密时的 AAD 来解密。加密服务使用加密 ID，从数据库查询出密钥和初始化向量。

importorg.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;importorg.springframework.stereotype.Service;importorg.springframework.util.StringUtils;importjavax.crypto.Cipher;importjavax.crypto.KeyGenerator;importjavax.crypto.SecretKey;importjavax.crypto.spec.GCMParameterSpec;importjavax.crypto.spec.SecretKeySpec;importjava.security.SecureRandom;importjava.util.Base64;@ServicepublicclassCipherService{//密钥长度publicstaticfinalint AES_KEY_SIZE =256;//初始化向量长度publicstaticfinalint GCM_IV_LENGTH =12;//GCM身份认证Tag长度publicstaticfinalint GCM_TAG_LENGTH =16;@AutowiredprivateCipherRepository cipherRepository;//内部加密方法publicstaticbyte[]doEncrypt(byte[] plaintext,SecretKey key,byte[] iv,byte[] aad)throwsException{//加密算法Cipher cipher =Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");//Key规范SecretKeySpec keySpec =newSecretKeySpec(key.getEncoded(),"AES");//GCM参数规范GCMParameterSpec gcmParameterSpec =newGCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH *8, iv);//加密模式
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, gcmParameterSpec);//设置aadif(aad !=null)
            cipher.updateAAD(aad);//加密byte[] cipherText = cipher.doFinal(plaintext);return cipherText;}//内部解密方法publicstaticStringdoDecrypt(byte[] cipherText,SecretKey key,byte[] iv,byte[] aad)throwsException{//加密算法Cipher cipher =Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");//Key规范SecretKeySpec keySpec =newSecretKeySpec(key.getEncoded(),"AES");//GCM参数规范GCMParameterSpec gcmParameterSpec =newGCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH *8, iv);//解密模式
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, gcmParameterSpec);//设置aadif(aad !=null)
            cipher.updateAAD(aad);//解密byte[] decryptedText = cipher.doFinal(cipherText);returnnewString(decryptedText);}//加密入口publicCipherResultencrypt(String data,String aad)throwsException{//加密结果CipherResult encryptResult =newCipherResult();//密钥生成器KeyGenerator keyGenerator =KeyGenerator.getInstance("AES");//生成密钥
        keyGenerator.init(AES_KEY_SIZE);SecretKey key = keyGenerator.generateKey();//IV数据byte[] iv =newbyte[GCM_IV_LENGTH];//随机生成IVSecureRandom random =newSecureRandom();
        random.nextBytes(iv);//处理aadbyte[] aaddata =null;if(!StringUtils.isEmpty(aad))
            aaddata = aad.getBytes();//获得密文
        encryptResult.setCipherText(Base64.getEncoder().encodeToString(doEncrypt(data.getBytes(), key, iv, aaddata)));//加密上下文数据CipherData cipherData =newCipherData();//保存IV
        cipherData.setIv(Base64.getEncoder().encodeToString(iv));//保存密钥
        cipherData.setSecureKey(Base64.getEncoder().encodeToString(key.getEncoded()));
        cipherRepository.save(cipherData);//返回本地加密ID
        encryptResult.setId(cipherData.getId());return encryptResult;}//解密入口publicStringdecrypt(long cipherId,String cipherText,String aad)throwsException{//使用加密ID找到加密上下文数据CipherData cipherData = cipherRepository.findById(cipherId).orElseThrow(()->newIllegalArgumentException("invlaid cipherId"));//加载密钥byte[] decodedKey =Base64.getDecoder().decode(cipherData.getSecureKey());//初始化密钥SecretKey originalKey =newSecretKeySpec(decodedKey,0, decodedKey.length,"AES");//加载IVbyte[] decodedIv =Base64.getDecoder().decode(cipherData.getIv());//处理aadbyte[] aaddata =null;if(!StringUtils.isEmpty(aad))
            aaddata = aad.getBytes();//解密returndoDecrypt(Base64.getDecoder().decode(cipherText.getBytes()), originalKey, decodedIv, aaddata);}}

第四步，分别实现加密和解密接口用于测试。

可以让用户选择，如果需要保护二要素的话，就自己输入一个查询密码作为 AAD。系统需要读取用户敏感信息的时候，还需要用户提供这个密码，否则无法解密。这样一来，即使黑客拿到了用户数据库的密文、加密服务的密钥和 IV，也会因为缺少 AAD 无法解密.

@AutowiredprivateCipherService cipherService;// 加密 @GetMapping("right")publicUserDataright(@RequestParam(value ="name", defaultValue ="小工匠")String name,@RequestParam(value ="idcard", defaultValue ="300000000000001234")String idCard,@RequestParam(value ="aad", required =false)String aad)throwsException{UserData userData =newUserData();
        userData.setId(1L);//脱敏姓名
        userData.setName(chineseName(name));//脱敏身份证
        userData.setIdcard(idCard(idCard));//加密姓名CipherResult cipherResultName = cipherService.encrypt(name, aad);
        userData.setNameCipherId(cipherResultName.getId());
        userData.setNameCipherText(cipherResultName.getCipherText());//加密身份证CipherResult cipherResultIdCard = cipherService.encrypt(idCard, aad);
        userData.setIdcardCipherId(cipherResultIdCard.getId());
        userData.setIdcardCipherText(cipherResultIdCard.getCipherText());return userRepository.save(userData);}// 解密 @GetMapping("read")publicvoidread(@RequestParam(value ="aad", required =false)String aad)throwsException{UserData userData = userRepository.findById(1L).get();
        log.info("name : {} idcard : {}",
                cipherService.decrypt(userData.getNameCipherId(), userData.getNameCipherText(), aad),
                cipherService.decrypt(userData.getIdcardCipherId(), userData.getIdcardCipherText(), aad));}// 脱敏身份证privatestaticStringidCard(String idCard){String num =StringUtils.right(idCard,4);returnStringUtils.leftPad(num,StringUtils.length(idCard),"*");}// 脱敏姓名publicstaticStringchineseName(String chineseName){String name =StringUtils.left(chineseName,1);returnStringUtils.rightPad(name,StringUtils.length(chineseName),"*");}

启动服务，访问

http://localhost:45678/storeidcard/right

访问解密接口：

http://localhost:45678/storeidcard/read

如果AAD错误

经过这样的设计，二要素就比较安全了。黑客要查询用户二要素的话，需要同时拿到密文、IV+ 密钥、AAD。而这三者可能由三方掌管，要全部拿到比较困难。