对称加密算法: DES、3DES、AES-Easy to understand and humorous

DES

DES 全称 Data Encryption Standard，是一种使用密钥加密的块算法。密钥8个字节(DES使用56位的密钥和64位的明文块进行加密)。

DES采用16轮运算，每轮产生一个轮密匙参与到运算中。

虽然DES算法的分组大小是64位，但是由于DES算法的密钥长度只有56位，因此DES算法存在着弱点，容易受到暴力破解和差分攻击等攻击手段的威胁。因此，在实际应用中，DES算法已经不再被广泛使用，而被更加安全的算法所取代，如AES算法等。尽管如此，该加密算法还是运用非常普遍，是一种标准的加密算法，3DES 是 DES 的加强版本。

DES 加密算法出自 IBM 的研究，后来被美国政府正式采用，之后开始广泛流传，但是近些年使用越来越少，因为 DES 使用56位密钥（密钥长度越长越安全），以现代计算能力24小时内即可被破解。

虽然如此，在某些简单应用中，我们还是可以使用 DES 加密算法。

加密与解密代码样例

Java

加密

private static String desEncrypt(byte[] skey, String input) throws Exception {
    // 实例化DES密钥材料， 使用 b 中的前8个字节作为DES密钥的内容
    DESKeySpec dks = new DESKeySpec(skey);
    // 实例化秘钥工厂
    SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
    // 生成秘钥
    SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(dks);

    // 实例化
//        Cipher cipher = Cipher.getInstance(secretKeyFactory.getAlgorithm());
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
    // 初始化。设置为加密模式
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
    // 执行
    byte[] data = cipher.doFinal(input.getBytes());

    String basee64Data = Base64.encodeBase64String(data);
    System.out.println(basee64Data);

    return basee64Data;
}

解密

private static String desDecrypt(byte[] skey, String encBase64Data) throws Exception {
    byte[] encData = Base64.decodeBase64(encBase64Data);

    // 实例化DES密钥材料， 使用 b 中的前8个字节作为DES密钥的内容
    DESKeySpec dks = new DESKeySpec(skey);
    // 实例化秘钥工厂
    SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
    // 生成秘钥
    SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(dks);

    // 实例化
//        Cipher cipher = Cipher.getInstance(secretKeyFactory.getAlgorithm());
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
    // 初始化。设置为加密模式
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
    // 执行
    byte[] s = cipher.doFinal(encData);

    String rs = new String(s);
    System.out.println(rs);

    return rs;
}

CryptoJS

加密

/**
 * DES 加密
 *
 * @param data 加密的byte数据
 * @param key 私钥的byte数据
 * @returns {*}
 */
function desEncrypt(data, skey){
    var key = CryptoJS.enc.Utf8.parse(skey);

    var encrypted =  CryptoJS.DES.encrypt(data, key, /* cfg */ {
        mode: CryptoJS.mode.ECB,
        padding: CryptoJS.pad.Pkcs7 // 包含 PKCS5Padding
    });

    return encrypted.ciphertext.toString();
}

解密

/**
 * DES 解密
 */
function desDecrypt(encrypt_data, skey){
    var key = CryptoJS.enc.Utf8.parse(skey);

    var decrypted =  CryptoJS.DES.decrypt(
        {
            ciphertext: CryptoJS.enc.Hex.parse(encrypt_data)
        },
        key,
        /* cfg */ {
            mode: CryptoJS.mode.ECB,
            padding: CryptoJS.pad.Pkcs7 // 包含 PKCS5Padding
        });

    return decrypted.toString(CryptoJS.enc.Utf8)
}

注意

注意，密钥必须是8的倍数，否则会报 java.security.InvalidKeyException: Wrong key size。

DES 标准密钥就是56位，8个字符即8个字节，每个字节的最高位不用，即每个字节只用7位，8个字符正好是56位。

3DES

3DES（或称为 Triple DES）是三重数据加密算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）块密码的通称。

它相当于是对每个数据块应用三次 DES 加密算法，使用3条56位的密钥对数据进行三次加密。由于计算机运算能力的增强，原版 DES 密码的密钥长度变得容易被暴力破解； 3DES 即是设计用来提供一种相对简单的方法，即通过增加 DES 的密钥长度来避免类似的攻击，而不是设计一种全新的块密码算法。

3DES（即Triple DES）是 DES 向 AES 过渡的加密算法，它使用3条56位的密钥对数据进行三次加密，是 DES 的一个更安全的变形。密钥24个字节(3DES的密钥长度为168位)。

它以 DES 为基本模块，通过组合分组方法设计出分组加密算法。比起最初的 DES，AES 更为安全。

加密与解密代码样例

Java

加密

private static String desedeEncrypt(byte[] skey, String input) throws Exception {
    // 实例化DES密钥材料， 使用 b 中的前8个字节作为DES密钥的内容
    DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(skey);
    // 实例化秘钥工厂
    SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
    // 生成秘钥
    SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(dks);

    // 实例化
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/PKCS5Padding");
    // 初始化。设置为加密模式
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
    // 执行
    byte[] data = cipher.doFinal(input.getBytes());

    String basee64Data = Base64.encodeBase64String(data);
    System.out.println(basee64Data);

    return basee64Data;
}

解密

private static String desedeDecrypt(byte[] skey, String encBase64Data) throws Exception {
    byte[] encData = Base64.decodeBase64(encBase64Data);

    // 实例化DES密钥材料， 使用 b 中的前8个字节作为DES密钥的内容
    DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(skey);
    // 实例化秘钥工厂
    SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
    // 生成秘钥
    SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(dks);

    // 实例化
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/PKCS5Padding");
    // 初始化。设置为加密模式
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
    // 执行
    byte[] s = cipher.doFinal(encData);

    String rs = new String(s);
    System.out.println(rs);

    return rs;
}

AES

Advanced Encryption Standard。

AES 加密算法采用分组密码体制，每个分组数据的长度为128位16个字节，密钥长度可以是128位16个字节、192位或256位，一共有四种加密模式，我们通常采用需要初始向量 IV 的 CBC 模式，初始向量的长度也是128位16个字节。

在AES中，分组长度只能是128 bit，也就是16个字节。(1个字节等于8位，1 Byte = 8 Bit)。密钥长度可以为三者中的任意一种。最广泛的使用是密钥128 bit，迭代轮数10轮。

AES 根据秘钥不同的分类

AES算法流程图

Rijndael算法是基于代换-置换网络（SPN，Substitution-permutation network）的迭代算法。

明文数据经过多轮次的转换后方能生成密文，每个轮次的转换操作由轮函数定义。

轮函数任务就是根据密钥编排序列（即轮密码）对数据进行不同的代换及置换等操作。

AES算法流程图

AES 加密的五个关键词，分别是：分组密码体制、Padding、密钥、初始向量 IV 和四种加密模式。

分组密码体制

所谓分组密码体制就是指将明文切成一段一段的来加密，然后再把一段一段的密文拼起来形成最终密文的加密方式。

AES 采用分组密码体制，即 AES 加密会首先把明文切成一段一段的，而且每段数据的长度要求必须是128位16个字节，如果最后一段不够16个字节了，就需要用 Padding 来把这段数据填满16个字节，然后分别对每段数据进行加密，最后再把每段加密数据拼起来形成最终的密文。

Padding

Padding 就是用来把不满16个字节的分组数据填满16个字节用的。

它有三种模式 PKCS5、PKCS7 和NOPADDING。

PKCS5 是指分组数据缺少几个字节，就在数据的末尾填充几个字节的几，比如缺少5个字节，就在末尾填充5个字节的5。

PKCS7 是指分组数据缺少几个字节，就在数据的末尾填充几个字节的0，比如缺少7个字节，就在末尾填充7个字节的0。

NoPadding 是指不需要填充，也就是说数据的发送方肯定会保证最后一段数据也正好是16个字节。

那如果在PKCS5 模式下，最后一段数据的内容刚好就是16个16怎么办？那解密端就不知道这一段数据到底是有效数据还是填充数据了。因此对于这种情况，PKCS5 模式会自动帮我们在最后一段数据后再添加16个字节的数据，而且填充数据也是16个16，这样解密段就能知道谁是有效数据谁是填充数据了。 PKCS7 最后一段数据的内容是16个0，也是同样的道理。

解密端需要使用和加密端同样的 Padding 模式，才能准确的识别有效数据和填充数据。

我们开发通常采用 PKCS7 Padding 模式。

初始向量IV

初始向量 IV 的作用是使加密更加安全可靠，我们使用 AES 加密时需要主动提供初始向量，而且只需要提供一个初始向量就够了，后面每段数据的加密向量都是前面一段的密文。

初始向量 IV 的长度规定为128位16个字节，初始向量的来源为随机生成。

密钥

AES 要求密钥的长度可以是128位16个字节、192位或者256位，位数越高，加密强度自然越大，但是加密的效率自然会低一些，因此要做好衡量。

通常采用128位16个字节的密钥，使用 AES 加密时需要主动提供密钥，而且只需要提供一个密钥就够了，每段数据加密使用的都是这一个密钥，密钥来源为随机生成。

四种加密模式

AES 一共有四种加密模式，分别是：

ECB（电子密码本模式）
CBC（密码分组链接模式）
CFB
OFB

我们一般使用的是 CBC 模式。

四种模式中除了 ECB 相对不安全之外，其它三种模式的区别并没有那么大。

ECB 模式是最基本的加密模式，即仅仅使用明文和密钥来加密数据，相同的明文块会被加密成相同的密文块，这样明文和密文的结构将是完全一样的，就会更容易被破解，相对来说不是那么安全，因此很少使用。

而 CBC 模式则比 ECB 模式多了一个初始向量 IV，加密的时候，第一个明文块会首先和初始向量 IV 做异或操作，然后再经过密钥加密，然后第一个密文块又会作为第二个明文块的加密向量来异或，依次类推下去，这样相同的明文块加密出的密文块就是不同的，明文的结构和密文的结构也将是不同的，因此更加安全，我们常用的就是 CBC 加密模式。

加密与解密代码样例

Java

加密

private static String aesEncrypt(byte[] skey, String input) throws Exception {
    SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(skey, "AES");

    AlgorithmParameterSpec iv = new IvParameterSpec(skey, 0, 16);

    // 实例化
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
    // 初始化。设置为加密模式
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, iv);
    // 执行
    byte[] bres = cipher.doFinal(input.getBytes());

    String base64Data = Base64.encodeBase64String(bres);
    System.out.println(base64Data);

    return base64Data;
}

解密

private static String aesDecrypt(byte[] skey, String encBase64Data) throws Exception {
    byte[] encData = Base64.decodeBase64(encBase64Data);

    // 生成秘钥
    SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(skey, "AES");
    AlgorithmParameterSpec iv = new IvParameterSpec(skey, 0, 16);
    // 实例化
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
    // 初始化。设置为加密模式
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, iv);
    // 执行
    byte[] s = cipher.doFinal(encData);

    String rs = new String(s, "UTF-8");
    System.out.println(rs);

    return rs;
}

目录CONTENT

对称加密算法: DES、3DES、AES

DES

加密与解密代码样例

Java

CryptoJS

注意

3DES

加密与解密代码样例

Java

AES

AES算法流程图

分组密码体制

Padding

初始向量IV

密钥

四种加密模式

加密与解密代码样例

Java

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