对称加密算法(AES加密)以及对称算法与非对称算法的对比

概述

    对称加密算法就是传统的用一个密码进行加密和解密。例如,我们常用的WinZIP 和WinRAR对压缩包的加密和解密,就是使用对称加密算法:
     从程序的角度着,所谓加密,就是这样一个函数，它接收密码和明文,然后输出密文:

    secret = encrypt(key, message);

     而解密则相反,它接收密码和密文,然后输出明文:

    plain =decrypt(key, secret);

    在软件开发中,常用的对称加密算法有:

算法密钥长度工作模式填充模式DES56/64ECB/CBC/PCBC/CTR/...NOPadding/PKCS5PaddingAES128/192/256ECB/CBC/PCBC/CTR/...NOPadding/PKCS5Padding/PKCS7PaddingIDEA128ECBPKCS5Padding/PKCS7Padding
密钥长度直接决定加密强度,而工作模式和填充模式可以看成是对称加密算法的参数和格式选择。Java标准库提供的算法实现并不包括所有的工作模式和所有填充模式,但是通常我们只需要挑选常用的使用就可以了。
最后注意，DES算法由于密钥过短,可以在短时间内被暴力破解,所以现在已经不安全了。

AES加密

    AES算法是目前应用最广泛的加密算法。比较常见的工作模式是ECB和CBC

ECB工作模式

    Java标准库提供的对称加密接口非常简单,使用时按以下步骤编写代码:

1. 根据算法名称/工作模式/填充模式获取Cipher 实例;
2. 根据算法名称初始化一个SecretKey 实例,密钥必须是指定长度;
3. 使用SerectKey 初始化Cipher 实例,并设置加密或解密模式;
4. 传入明文或密文,获得密文或明文。

例：对字符串“Hello,World!”通过ECB工作模式进行加密和解密

import java.security.*;
import java.util.Base64;

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message(原始信息): " + message);
        
        // 128位密钥 = 16 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes();
        
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes();
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted(加密内容): " + 
                            Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted(解密内容): " + new String(decrypted));
    }

    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 创建密码对象，需要传入算法/工作模式/填充模式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        
        // 根据key的字节内容，"恢复"秘钥对象
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        
        // 初始化秘钥:设置加密模式ENCRYPT_MODE
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
        
        // 根据原始内容(字节),进行加密
        return cipher.doFinal(input);
    }

    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 创建密码对象，需要传入算法/工作模式/填充模式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        
        // 根据key的字节内容，"恢复"秘钥对象
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        
        // 初始化秘钥:设置解密模式DECRYPT_MODE
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
        
        // 根据原始内容(字节),进行解密
        return cipher.doFinal(input);
    }
}

CBC工作模式

    ECB模式是最简单的AES加密模式,它只需要一个固定长度的密钥，固定的明文会生成固定的密文，这种一对一的加密方式会导致安全性降低，更好的方式是通过CBC 模式,它需要一一个随机数作为 IV参数，这样对于同一份明文，每次生成的密文都不同.

    在CBC模式下，需要一个随机生成的16字节IV参数，必须使用SecureRandom 生成。因为多了一个IvParameterSpec实例，因此，初始化方法需要调用Cipher 的一个重载方法并传如IvParameterSpec. 观察输出,可以发现每次生成的IV不同,密文也不同。

例：对字符串“Hello,World!”通过ECB工作模式进行加密和解密

package com.apesource.demo04;

import java.security.*;
import java.util.Base64;

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message(原始信息): " + message);
        
        // 256位密钥 = 32 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef1234567890abcdef".getBytes();
        
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes();
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted(加密内容): " + 
                Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted(解密内容): " + new String(decrypted));
    }

    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 设置算法/工作模式CBC/填充
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        
        // 恢复秘钥对象
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        
        // CBC模式需要生成一个16 bytes的initialization vector:
        SecureRandom sr = SecureRandom.getInstanceStrong();
        byte[] iv = sr.generateSeed(16); // 生成16个字节的随机数
        System.out.println(Arrays.toString(iv));
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 随机数封装成IvParameterSpec参数对象
        
        // 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        
        // 加密
        byte[] data = cipher.doFinal(input);
        
        // IV不需要保密，把IV和密文一起返回:
        return join(iv, data);
    }

    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 把input分割成IV和密文:
        byte[] iv = new byte[16];
        byte[] data = new byte[input.length - 16];
        
        System.arraycopy(input, 0, iv, 0, 16); // IV
        System.arraycopy(input, 16, data, 0, data.length); //密文
        System.out.println(Arrays.toString(iv));
        
        // 解密:
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); // 密码对象
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES"); // 恢复秘钥
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 恢复IV
        
        // 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        
        // 解密操作
        return cipher.doFinal(data);
    }
    
    // 合并数组
    public static byte[] join(byte[] bs1, byte[] bs2) {
        byte[] r = new byte[bs1.length + bs2.length];
        System.arraycopy(bs1, 0, r, 0, bs1.length);
        System.arraycopy(bs2, 0, r, bs1.length, bs2.length);
        return r;
    }
}

对称加密算法与非对称加密算法的对比

    说到非对称加密算法首先先了解一下它的概念。非对称加密算法：加密和解密使用的不是相同的密钥，只有同一个公钥——私钥对才能正常加解密。

    非对称加密的优点：对称加密需要协商密钥，而非对称加密可以安全地公开各自的公钥，在N个人之间通信的时候：使用非对称加密只需要N个密钥对，每个人只管理自己的密钥对。而使用对称加密需要则需要N*(N-1)/2个密钥,因此每个人需要管理N-1个密钥，密钥管理难度大 ，而且非常容易泄漏。
     非对称加密的缺点：运算速度非常慢，比对称加密要慢很多。

    所以,在实际应用的时候,非对称加密总是和对称加密一起使用。