JAVA 加密算法初探DES&AES

2022-11-27 08:13:18

开发项目中需要将重要数据缓存在本地以便在离线是读取，如果不对数据进行处理，很容易造成损失。所以，我们一般对此类数据进行加密处理。这里，主要介绍两种简单的加密算法：DES&AES。

先简单介绍一下一般的加密方案（如下图所示）：

1)明文：原始信息。
2)加密算法：以密钥为参数，对明文进行多种置换和转换的规则和步骤，变换结果为密文。
3)密钥：加密与解密算法的参数，直接影响对明文进行变换的结果。
4)密文：对明文进行变换的结果。
5)解密算法：加密算法的逆变换，以密文为输入、密钥为参数，变换结果为明文。

密码学中常用的数学运算有一下几种：

◆移位和循环移位
　　移位就是将一段数码按照规定的位数整体性地左移或右移。循环右移就是当右移时，把数码的最后的位移到数码的最前头，循环左移正相反。例如，对十进制数码12345678循环右移1位（十进制位）的结果为81234567，而循环左移1位的结果则为23456781。
◆置换
　　就是将数码中的某一位的值根据置换表的规定，用另一位代替。它不像移位操作那样整齐有序，看上去杂乱无章。这正是加密所需,被经常应用。
◆扩展
　　就是将一段数码扩展成比原来位数更长的数码。扩展方法有多种,例如,可以用置换的方法，以扩展置换表来规定扩展后的数码每一位的替代值。
◆压缩
　　就是将一段数码压缩成比原来位数更短的数码。压缩方法有多种，例如，也可以用置换的方法，以表来规定压缩后的数码每一位的替代值。
◆异或
　　这是一种二进制布尔代数运算。异或的数学符号为⊕ ，它的运算法则如下：
1⊕1 = 0
0⊕0 = 0
1⊕0 = 1
0⊕1 = 1
　　也可以简单地理解为，参与异或运算的两数位如相等，则结果为0，不等则为1。
◆迭代
　　迭代就是多次重复相同的运算，这在密码算法中经常使用，以使得形成的密文更加难以破解。

一、下面就介绍下DES算法：

1、先看下代码实验结果（明文不变，密钥前八位不变）：

通过对比发现在对同一明文加密时，只要密钥前八位相同，所产生的密文就相同。由此可以看出，DES采用的密钥长度为64位，进一步了解可以发现，这64位的密钥中只有56位可以用到，其余8位作为奇偶校验（这8位分别是每个字符转化成二进制后的最后一位）。所以，这也是DES如今不常用的原因，现在的电脑通过穷举，24小时之内就可以得到正确的密钥。但作为研究的材料还是可以的。

下面，我们再看一下密钥和明文怎么产生密文的。

在得到原始密钥（即我们输入的密钥）之后，还需要进行一系列的变换，才能产生真正和明文作用的密钥。其中的变换算法这里不作深究。简单的讲下用到的数学运算有：位移、16次迭代。最终形成16套加密密钥：key[0]，key[1]，key[2]，…。key[14]，key[15]。这16套密钥是真正参与到密文的生产。

当然，在得到明文之后也需要进行操作，然后和密钥一起生成密文。其中，明文也会进行16次迭代，在每次迭代过程中，与16套中的密钥以此进行异或运算。之后再进一步对迭代之后的数据进行处理，最终得到密文。

加密完成了，自然会涉及到解密。我们可能会认为解密是加密的逆运算。其实不全是。DES采用的解密算法，和加密算法是一样的，不同的是密钥的使用顺序。在加密中是按照第i次迭代就采用第i次迭代生成的密钥进行异或，而解密时第i次迭代就采用第17-i次迭代生成的密钥和数据进行异或。

完整代码如下：

import java.security.InvalidKeyException;

import java.security.NoSuchAlgorithmException;

import java.security.SecureRandom;

import java.security.spec.InvalidKeySpecException;

import javax.crypto.BadPaddingException;

import javax.crypto.Cipher;

import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;

import javax.crypto.NoSuchPaddingException;

import javax.crypto.SecretKey;

import javax.crypto.SecretKeyFactory;

import javax.crypto.spec.DESKeySpec;

public class des {

    private final static String DES = "DES";                     

    public static void main(String[] args){

    	String str_pass = "12345678fedcba";

    	String content = "不剃头的一休哥";

      //  String encryptString = encrypt("不剃头的一休哥",str_pass);

        byte[] key = str_pass.getBytes();

        byte[] src = content.getBytes();

        SecureRandom sr = new SecureRandom();

        byte[] result = null;

        // 从原始密匙数据创建DESKeySpec对象

        DESKeySpec dks;

		try {

			dks = new DESKeySpec(key);

			SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(DES);

		    SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(dks);

		    // Cipher对象实际完成加密操作

		    Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES);

		    // 用密匙初始化Cipher对象

		    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, securekey, sr);

		    // 正式执行加密操作

		    result = cipher.doFinal(src);

		} catch (InvalidKeyException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		}

        // 创建一个密匙工厂，然后用它把DESKeySpec转换成一个SecretKey对象

		catch (NoSuchAlgorithmException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		} catch (InvalidKeySpecException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		} catch (NoSuchPaddingException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		} catch (IllegalBlockSizeException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		} catch (BadPaddingException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		}

        String hs = "";

        String stmp = "";

        for (int n = 0; n < result.length; n++) {

            stmp = (java.lang.Integer.toHexString(result[n] & 0XFF));

            if (stmp.length() == 1)

                hs = hs + "0" + stmp;

            else

                hs = hs + stmp;

        }

        String encryptString = hs.toUpperCase();

        System.out.println("密钥:"+str_pass);

        System.out.println("密文:"+encryptString);

    }

}

二、AES算法

AES 算法是基于置换和代替的。置换是数据的重新排列，而代替是用一个单元数据替换另一个。具体实现这里不介绍了，感兴趣的朋友可以自行查找。明确地说，AES 是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192 和 256 位密钥，并且用 128 位（16字节）分组加密和解密数据。

先上代码吧

import java.io.UnsupportedEncodingException;

import java.security.InvalidKeyException;

import java.security.NoSuchAlgorithmException;

import java.security.SecureRandom;

import javax.crypto.BadPaddingException;

import javax.crypto.Cipher;

import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;

import javax.crypto.KeyGenerator;

import javax.crypto.NoSuchPaddingException;

import javax.crypto.SecretKey;

import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

public class Aes {

	public static void main(String[] args)

	{

		String content = "不剃头的一休哥";

		String password = "12345678fedcba";

		try {

			KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance("AES");

			SecureRandom sr = new SecureRandom(password.getBytes());

			kg.init(128,sr);

			SecretKey secretKey = kg.generateKey();

			System.out.println("SecureRandom:"+sr.toString());

			System.out.println("SecretKey:"+secretKey);

			byte[] enCodeFormat = secretKey.getEncoded();

			SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES");

			Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");// 创建密码器

			byte[] byteContent = content.getBytes("utf-8");

            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);// 初始化

            byte[] result = cipher.doFinal(byteContent);

            String str_res = byte2String(result); //

            System.out.println("密文："+str_res);

		} catch (NoSuchAlgorithmException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		} catch (NoSuchPaddingException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		} catch (UnsupportedEncodingException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		} catch (InvalidKeyException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		} catch (IllegalBlockSizeException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		} catch (BadPaddingException e) {

			// TODO Auto-generated catch block

			e.printStackTrace();

		}

	}

	public static String byte2String(byte[] b) {

        String hs = "";

        String stmp = "";

        for (int n = 0; n < b.length; n++) {

            stmp = (java.lang.Integer.toHexString(b[n] & 0XFF));

            if (stmp.length() == 1)

                hs = hs + "0" + stmp;

            else

                hs = hs + stmp;

        }

        return hs.toUpperCase();

    }

}

代码中我有些一点解释：

kg.init(128,new SecureRandom(password.getBytes()));

SecretKey secretKey = kg.generateKey();

第一行代码中的随机数可能不同，也就是说kg.init产生的影响可能不同。但是，只要保证password相同，所产生的secretKey就相同。如图所示（DES算法中也用到了随机数，所以也存在此类问题）

查看参考手册可以发现，init函数的作用是使用用户提供的随机源初始化此密钥生成器，使其具有确定的密钥大小。SecureRandom此类提供强加密随机数生成器。所以，虽然值不同，但是他们同属于一类。我们使用的时候就是用到他们的共同特征。（好牵强，我也没搞懂他们的共同特征是什么o(╯□╰)o）

大概就写这么多吧，有时间查下KeyGenerator.generateKey()的源代码，就能知道他们的共同特征了。然后再作补充。

嗯，加油。

PS：

1、部分内容来源于网上。

2、下周就要真正参与到开发了，周末好好熟悉一下业务流程。O(∩_∩)O~~

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