Java加密解密大全
ChinaSEI系列讲义(By 郭克华)
Java加密解密方法大全
如果有文字等小错,请多包涵。在不盈利的情况下,欢迎免费传播。
版权所有.郭克华
本讲义经过修正、扩充,由清华大学出版社出版。
详细可查询 http://www.china-pub.com/51834
http://product.dangdang.com/product.aspx?product_id=20862469
【1】加密概述
〖1-1〗加密的应用
加密是以某种特殊的算法改变原有的信息数据,使得未授权的用户即使获得了已加密
的信息,但因不知解密的方法,仍然无法了解信息的内容。数据加密技术已经广泛应用于
因特网电子商务、手机网络和银行自动取款机等领域。加密系统中有如下重要概念:
1 :明文。被隐蔽的消息称作明文(plaintext )。
2 :密文。隐蔽后的消息称作密文(ciphertext )。
3 .加密。将明文变换成密文的过程称作加密(encryption) 。
4 :解密。由密文恢复出原明文的过程称作解密(decryption) 。
5 :敌方。主要指非授权者,通过各种办法,窃取机密信息。
6 :被动攻击。获密文进行分析,这类攻击称作被动攻击(passive attack) 。
7 :主动攻击。非法入侵者(tamper) 采用篡改、伪造等手段向系统注入假消息,称为主
动攻击(active attack) 。
8 :加密算法。对明文进行加密时采用的算法。
9 :解密算法。对密文进行解密时采用算法。
10:加密密钥和解密密钥。加密算法和解密算法的操作通常是在一组密钥( key )的
控制下进行的,分别称为加密密钥(encryption key) 和解密密钥(decryption key) 。
在加密系统中,加密算法和密钥是最重要的两个概念。在这里需要对加密算法和密钥
进行一个解释。以最简单的“恺撒加密法”为例。
《高卢战记》有描述恺撒曾经使用密码来传递信息,即所谓的“ 恺撒密码” 。它是一种
替代密码,通过将字母按顺序推后 3 位起到加密作用,如将字母 A 换作字母D,将字母 B
换作字母E。如“China”可以变为“Fklqd”;解密过程相反。
在这个简单的加密方法中,“向右移位”,可以理解为加密算法;“3 ”可以理解为加密
密钥。对于解密过程,“向左移位”,可以理解为解密算法;“3 ”可以理解为解密密钥。显
然,密钥是一种参数,它是在明文转换为密文或将密文转换为明文的算法中输入的数据。
恺撒加密法的安全性来源于两个方面:第一,对加密算法的隐藏;第二,对密钥的隐
蔽。单单隐蔽加密算法以保护信息,在学界和业界已有相当讨论,一般认为是不够安全的。
公开的加密算法是给黑客长年累月攻击测试,对比隐蔽的加密算法要安全多。一般说来,
加密之所以安全,是因为其加密的密钥的隐藏,并非加密解密算法的保密。而流行的一些
加密解密算法一般是完全公开的。敌方如果取得已加密的数据,即使得知加密算法,若没
有密钥,也不能进行解密。
〖1-2〗常见的加密算法
加密技术从本质上说是对信息进行编码和解码的技术。加密是将可读信息(明文)变
为代码形式(密文);解密是加密的逆过程,相当于将密文变为明文。加密算法有很多种,
一般可分为对称加密、非对称加密和单向加密三类算法。
对称加密算法应用较早,技术较为成熟。其过程如下:
安全编程技术
1 :发送方将明文和加密密钥一起经过加密算法处理,变成密文,发送出去。
2 :接收方收到密文后,使用加密密钥及相同算法的逆算法对密文解密,恢复为明文。
在对称加密算法中,双方使用的密钥相同,要求解密方事先必须知道加密密钥。其特
点是算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。不足之处是,通信双方都使用同样
的密钥,安全性得不到保证。此外,用户每次使用该算法,需要保证密钥的唯一性,使得
双方所拥有的密钥数量很大,密钥管理较为困难。对称加密算法中,目前流行的算法有:
DES 、3DES 和IDEA 等,美国国家标准局倡导的AES 即将作为新标准取代DES 。
与对称加密算法不同,非对称加密算法需要两个密钥:公开密钥(publickey )和私有
密钥(privatekey)。每个人拥有这两个密钥,公开密钥对外公开,私有密钥不公开。如果
用公开密钥对数据进行加密,只有用对应的私有密钥才能解密;如果用私有密钥对数据进
行加密,那么只有用对应的公开密钥才能解密。
非对称加密算法的基本过程是:
1 :通信前,接收方随机生成的公钥,发送给发送方,自己保留私钥。
2 :发送方利用接收方的公钥加密明文,使其变为密文。
3 :接收方收到密文后,使用自己的私钥解密密文。
广泛应用的非对称加密算法有RSA 算法和美国国家标准局提出的DSA 。非对称加密
算法的保密性比较好,它消除了最终用户交换密钥的需要,但加密和解密花费时间长、速
度慢,它不适合于对文件加密而只适用于对少量数据进行加密。
另一类是单向加密算法。该算法在加密过程中不需要使用密钥,输入明文后由系统直
接经过加密算法处理成密文,密文无法解密。只有重新输入明文,并经过同样的加密算法
处理,得到相同的密文并被系统重新识别后,才能真正解密。该方法计算复杂,通常只在
数据量有限的情形下使用,如广泛应用在计算机系统中的口令加密。近年来,单向加密的
应用领域正在逐渐增大。应用较多单向加密算法的有 RSA 公司发明的MD5算法和美国国
家安全局(NSA) 设计,美国国家标准与技术研究院(NIST) 发布SHA (Secure Hash
Algorithm,安全散列算法)。
大多数语言体系(如.net 、Java )都具有相关的 API 支持各种加密算法。本章以Java
语言为例来阐述加密解密过程,这些算法在其他语言中的实现,读者可以参考相关资料。
【2】实现对称加密
如前所述,对称加密算法过程中,发送方将明文和加密密钥一起经过加密算法处理,
变成密文,发送出去;接收方收到密文后,使用加密密钥及相同算法的逆算法对密文解密,
恢复为明文。双方使用的密钥相同,要求解密方事先必须知道加密密钥。从这里可以得出
几个结论:
1 :加密时使用什么密钥,解密时必须使用相同密钥,否则无法解密。
2 :对同样的信息,不同的密钥,加密结果和解密结果理论上不相同。
本节介绍三种流行的对称加密算法:DES 、3DES 和AES 。
〖2-1〗用Java 实现DES
DES 是数据加密标准(Data Encryption Standard )的简称,出自 IBM 的研究工作,
x 2 x
并在 1977 年被美国政府正式采纳。它是使用较为广泛的密钥系统,最初开发DES 是嵌
入硬件中,DES 特别是在保护金融数据的安全,如自动取款机中,使用较多。
在DES 中,使用了一个 56 位的密钥以及附加的 8 位奇偶校验位,产生最大 64 位的
分组大小。加密过程中,将加密的文本块分成两半。使用子密钥对其中一半应用循环功能,
然后将输出与另一半进行“异或”运算;接着交换这两半。循环往复。DES 使用16个循
环,但最后一个循环不交换。
攻击 DES,一般只能使用穷举的密钥搜索,即重复尝试各种密钥直到有一个符合为
止。如果 DES使用56位的密钥,则可能的密钥数量是 2
56
个,穷举难度较大。IBM 曾对
DES 拥有几年的专利权,但在1983 年到期。
关于DES 的其他信息,可以参考相关资料。
在对称加密中,解密和加密的密钥一定要相同。以下代码是用Java 语言实现将一个字
符串“郭克华_ 安全编程技术”先加密,然后用同样的密钥解密的过程。不过,由于本书
不是讲解某种语言本身,所以在这里略过Java 加密体系的讲解,在代码中如果出现新的
API,读者可以参考Java 文档。
P12_01.java
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
import javax.crypto.SecretKey;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.Security;
public class P12_01
{
//KeyGenerator提供对称密钥生成器的功能,支持各种算法
private KeyGenerator keygen;
//SecretKey负责保存对称密钥
private SecretKey deskey;
//Cipher 负责完成加密或解密工作
private Cipher c;
//该字节数组负责保存加密的结果
private byte[] cipherByte;
public P12_01()
{
Security.addProvider(new com.sun.crypto.provider.SunJCE());
try
{
// 实例化支持DES 算法的密钥生成器(算法名称命名需按规定,否则抛出异常)
keygen = KeyGenerator.getInstance("DES");
x 3 x
安全编程技术
// 生成密钥
deskey = keygen.generateKey();
// 生成Cipher 对象,指定其支持DES 算法
c = Cipher.getInstance("DES");
}
catch(NoSuchAlgorithmException ex)
{
ex.printStackTrace();
}
catch(NoSuchPaddingException ex)
{
ex.printStackTrace();
}
}
/*对字符串str 加密*/
public byte[] createEncryptor(String str)
{
try
{
// 根据密钥,对Cipher 对象进行初始化,ENCRYPT_MODE 表示加密模式
c.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey);
byte[] src = str.getBytes();
// 加密,结果保存进cipherByte
cipherByte = c.doFinal(src);
}
catch(java.security.InvalidKeyException ex)
{
ex.printStackTrace();
}
catch(javax.crypto.BadPaddingException ex)
{
ex.printStackTrace();
}
catch(javax.crypto.IllegalBlockSizeException ex)
{
ex.printStackTrace();
}
return cipherByte;
}
/*对字节数组buff 解密*/
x 4 x
public byte[] createDecryptor(byte[] buff)
{
try
{
// 根据密钥,对Cipher 对象进行初始化,ENCRYPT_MODE 表示解密模式
c.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey);
// 得到明文,存入cipherByte字符数组
cipherByte = c.doFinal(buff);
}
catch(java.security.InvalidKeyException ex)
{
ex.printStackTrace();
}
catch(javax.crypto.BadPaddingException ex)
{
ex.printStackTrace();
}
catch(javax.crypto.IllegalBlockSizeException ex)
{
ex.printStackTrace();
}
return cipherByte;
}
public static void main(String[] args) throws Exception
{
P12_01 p12_01 = new P12_01();
String msg = " 郭克华_ 安全编程技术";
System.out.println("明文是:" + msg);
byte[] enc = p12_01.createEncryptor(msg);
System.out.println("密文是:" + new String(enc));
byte[] dec = p12_01.createDecryptor(enc);
System.out.println("解密后的结果是:" + new String(dec));
}
}
运行,界面如下:
在不同的情况下,密文的内容会不一样。因为KeyGenerator 每次生成的密钥是随机的,
x 5 x
安全编程技术
这很容易理解,否则DES 算法就没有安全性可言了。
〖2-2〗用Java 实现3DES
3DES,即三重DES ,是DES 的加强版,也是DES 的一个更安全的变形。它使用3
条56位(共168 位)的密钥对数据进行三次加密,一般情况下,提供了较为强大的安全
性。实际上,3DES 是DES 向AES 过渡的加密算法。1999年,NIST将3-DES 指定为过渡
的加密标准。
3DES 以DES 为基本模块,通过组合分组方法设计出分组加密算法。令Ek() 和Dk()
表示DES 算法的加密和解密过程,K 表示DES 算法使用的密钥,P 表示明文,C 表示密
文。3DES 的具体实现过程如下:
1 :加密过程:C=Ek3(Dk2(Ek1(P)))
2 :解密过程为:P=Dk1((EK2(Dk3(C)))
从上述过程可以看出, K1 、K2、K3 决定了算法的安全性。若三个密钥互不相同,
本质上就相当于用一个长为168 位的密钥进行加密。若数据对安全性要求不高,K1可等
于K3。在这种情况下,密钥的有效长度为112 位。
在Java 的加密体系中,使用 3DES 非常简单,程序结构和使用DES 时相同,只不过
在初始化时将算法名称由“DES ”改为“DESede”即可。
下列程序基本原理和P12_01相同,只不过将加密和解密过程写在一起。
P12_02.java
import java.security.Security;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
public class P12_02
{
public static void main(String[] args) throws Exception
{
//KeyGenerator提供对称密钥生成器的功能,支持各种算法
KeyGenerator keygen;
//SecretKey 负责保存对称密钥
SecretKey deskey;
//Cipher 负责完成加密或解密工作
Cipher c;
Security.addProvider(new com.sun.crypto.provider.SunJCE());
// 实例化支持3DES算法的密钥生成器,算法名称用DESede
keygen = KeyGenerator.getInstance("DESede");
// 生成密钥
deskey = keygen.generateKey();
x 6 x
// 生成Cipher 对象,指定其支持3DES算法
c = Cipher.getInstance("DESede");
String msg = " 郭克华_ 安全编程技术";
System.out.println("明文是:" + msg);
// 根据密钥,对Cipher 对象进行初始化,ENCRYPT_MODE表示加密模式
c.init(Ciphe r.ENCRYPT_MODE, deskey);
byte[] src = msg.getBytes();
// 加密,结果保存进enc
byte[] enc = c.doFinal(src);
System.out.println("密文是:" + new String(enc));
// 根据密钥,对Cipher 对象进行初始化,ENCRYPT_MODE表示加密模式
c.init(Ciphe r.DECRYPT_MODE, deskey);
// 解密,结果保存进dec
byte[] dec = c.doFinal(enc);
System.out.println("解密后的结果是:" + new String(dec));
}
}
运行,效果如下:
〖2-3〗用Java 实现AES
AES 在密码学中是高级加密标准(Advanced Encryption Standard )的缩写,该算法是
美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的 DES ,已经被多方分析
且广为全世界所使用。最近,高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。
AES 算法又称Rijndael 加密法,该算法为比利时密码学家Joan Daemen 和Vincent
Rijmen 所设计,结合两位作者的名字,以 Rijndael命名。AES 是美国国家标准技术研究所
NIST旨在取代DES 的21 世纪的加密标准。
AES 算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对AES
还有不同的看法,但总体来说,AES 作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、
高效率、易用和灵活等优点。AES 设计有三个密钥长度:128 ,192,256 位,相对而言,
AES 的128 密钥比DES 的56 密钥强得多。AES 算法主要包括三个方面:轮变化、圈数和
密钥扩展。关于其具体实现,读者可以参考密码学书籍。
以下代码是用Java 语言实现 AES 算法,将一个字符串“郭克华_ 安全编程技术”先加
密,然后用同样的密钥解密。在代码中如果出现新的API,读者可以参考Java 文档。
x 7 x
安全编程技术
P12_03.java
import java.security.Security;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
public class P12_03
{
public static void main(String[] args) throws Exception
{
//KeyGenerator提供对称密钥生成器的功能,支持各种算法
KeyGenerator keygen;
//SecretKey 负责保存对称密钥
SecretKey deskey;
//Cipher 负责完成加密或解密工作
Cipher c;
Security.addProvider(new com.sun.crypto.provider.SunJCE());
// 实例化支持AES 算法的密钥生成器,算法名称用AES
keygen = KeyGenerator.getInstance("AES");
// 生成密钥
deskey = keygen.generateKey();
// 生成Cipher 对象,指定其支持AES 算法
c = Cipher.getInstance("AES");
String msg = " 郭克华_ 安全编程技术";
System.out.println("明文是:" + msg);
// 根据密钥,对Cipher 对象进行初始化,ENCRYPT_MODE表示加密模式
c.init(Ciphe r.ENCRYPT_MODE, deskey);
byte[] src = msg.getBytes();
// 加密,结果保存进enc
byte[] enc = c.doFinal(src);
System.out.println("密文是:" + new String(enc));
// 根据密钥,对Cipher 对象进行初始化,ENCRYPT_MODE表示加密模式
c.init(Ciphe r.DECRYPT_MODE, deskey);
// 解密,结果保存进dec
byte[] dec = c.doFinal(enc);
System.out.println("解密后的结果是:" + new String(dec));
}
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