选择Java加密算法第2部分–单密钥对称加密

抽象

这是涵盖Java加密算法的三部分博客系列的第2部分。本系列介绍如何实现以下目标：

使用SHA–512散列
AES–256
RSA–4096

这第二篇文章详细介绍了如何实现单密钥对称AES-256加密。让我们开始吧。

免责声明

这篇文章仅供参考。在使用所提供的任何信息之前，请认真思考。从中学到东西，但最终自己做出决定，风险自负。

要求

我使用以下主要技术完成了本文的所有工作。您可能可以使用不同的技术或版本来做相同的事情，但不能保证。

Java 1.8.0_152_x64
Java密码术扩展（JCE）的无限强度
NetBeans 8.2（内部版本201609300101）
Maven 3.0.5（与NetBeans捆绑在一起）

下载

访问我的GitHub页面以查看我所有的开源项目。这篇文章的代码位于项目中： thoth-cryptography

对称加密

关于

对称加密算法基于单个密钥。此密钥用于加密和解密。因此，对称算法仅应在严格控制密钥的地方使用。

对称算法通常用于安全环境中的数据加密和解密。一个很好的例子是确保微服务通信的安全。如果OAuth-2 / JWT体系结构超出范围，则API网关可以使用对称算法的单个密钥来加密令牌。然后将此令牌传递给其他微服务。其他微服务使用相同的密钥来解密令牌。另一个很好的例子是电子邮件中嵌入的超链接。电子邮件中的超链接包含一个编码的令牌，当单击该超链接时，该令牌允许自动登录请求处理。此令牌是由对称算法生成的高度加密的值，因此只能在应用程序服务器上解码。当然，任何时候都需要保护任何类型的密码或凭证，使用对称算法对它们进行加密，然后可以使用相同的密钥对字节进行解密。

截止目前的研究似乎表明，以下是最佳，最安全的单密钥，对称加密算法（Sheth，2017年，“选择正确的算法”，第2段）：

算法： AES
模式： GCM
填充： PKCS5Padding
密钥大小： 256位
IV大小： 96位

AES–256使用256位密钥，需要安装Java密码学扩展（JCE）无限强度软件包。让我们看一个例子。

注意： 256位密钥需要Java密码术扩展（JCE）无限强度软件包。如果未安装，则最大为128位密钥。

例

如果尚未安装，请下载并安装Java Cryptography Extension（JCE）无限强度软件包。需要使用256位密钥。否则，必须将以下示例更新为使用128位密钥。

清单1是AesTest.java单元测试。这是以下内容的完整演示：

生成并存储AES 256位密钥
AES加密
AES解密

清单2显示了AesSecretKeyProducer.java 。这是一个帮助程序类，负责产生一个新密钥或从byte[]复制一个现有密钥。

清单3显示了ByteArrayWriter.java ，清单4显示了ByteArrayReader.java 。这些是帮助程序类，负责将byte[]读写到文件中。由您决定如何存储密钥的byte[] ，但是需要将其安全地存储在某个地方（文件，数据库，git存储库等）。

最后，清单5显示了Aes.java 。这是一个帮助程序类，负责加密和解密。

清单1 – AesTest.java类

package org.thoth.crypto.symmetric;import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;
import java.util.Optional;
import javax.crypto.SecretKey;
import org.junit.Assert;
import org.junit.BeforeClass;
import org.junit.Test;
import org.thoth.crypto.io.ByteArrayReader;
import org.thoth.crypto.io.ByteArrayWriter;/**** @author Michael Remijan mjremijan@yahoo.com @mjremijan*/
public class AesTest {static Path secretKeyFile;@BeforeClasspublic static void beforeClass() throws Exception {// Store the SecretKey bytes in the ./target diretory. Do// this so it will be ignore by source control.  We don't// want this file committed.secretKeyFile= Paths.get("./target/Aes256.key").toAbsolutePath();// Generate a SecretKey for the testSecretKey secretKey= new AesSecretKeyProducer().produce();// Store the byte[] of the SecretKey.  This is the// "private key file" you want to keep safe.ByteArrayWriter writer = new ByteArrayWriter(secretKeyFile);writer.write(secretKey.getEncoded());}@Testpublic void encrypt_and_decrypt_using_same_Aes256_instance() {// setupSecretKey secretKey= new AesSecretKeyProducer().produce(new ByteArrayReader(secretKeyFile).read());Aes aes= new Aes(secretKey);String toEncrypt= "encrypt me";// runbyte[] encryptedBytes= aes.encrypt(toEncrypt, Optional.empty());String decrypted= aes.decrypt(encryptedBytes, Optional.empty());// assertAssert.assertEquals(toEncrypt, decrypted);}public void encrypt_and_decrypt_with_aad_using_same_Aes256_instance() {// setupSecretKey secretKey= new AesSecretKeyProducer().produce(new ByteArrayReader(secretKeyFile).read());Aes aes= new Aes(secretKey);String toEncrypt= "encrypt me aad";// runbyte[] encryptedBytes= aes.encrypt(toEncrypt, Optional.of("JUnit AAD"));String decrypted= aes.decrypt(encryptedBytes, Optional.of("JUnit AAD"));// assertAssert.assertEquals(toEncrypt, decrypted);}@Testpublic void encrypt_and_decrypt_using_different_Aes256_instance()throws Exception {// setupSecretKey secretKey= new AesSecretKeyProducer().produce(new ByteArrayReader(secretKeyFile).read());Aes aesForEncrypt= new Aes(secretKey);Aes aesForDecrypt= new Aes(secretKey);String toEncrypt= "encrypt me";// runbyte[] encryptedBytes= aesForEncrypt.encrypt(toEncrypt, Optional.empty());ByteArrayOutputStream baos= new ByteArrayOutputStream();baos.write(encryptedBytes);String decrypted= aesForDecrypt.decrypt(baos.toByteArray(), Optional.empty());// assertAssert.assertEquals(toEncrypt, decrypted);}
}

清单2 – AesSecretKeyProducer.java类

package org.thoth.crypto.symmetric;import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;/**** @author Michael Remijan mjremijan@yahoo.com @mjremijan*/
public class AesSecretKeyProducer {/*** Generates a new AES-256 bit {@code SecretKey}.** @return {@code SecretKey}, never null* @throws RuntimeException All exceptions are caught and re-thrown as {@code RuntimeException}*/public SecretKey produce() {KeyGenerator keyGen;try {keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");keyGen.init(256);SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();return secretKey;} catch (Exception ex) {throw new RuntimeException(ex);}}/*** Generates an AES-256 bit {@code SecretKey}.** @param encodedByteArray The bytes this method will use to regenerate a previously created {@code SecretKey}** @return {@code SecretKey}, never null* @throws RuntimeException All exceptions are caught and re-thrown as {@code RuntimeException}*/public SecretKey produce(byte [] encodedByteArray) {try {return new SecretKeySpec(encodedByteArray, "AES");} catch (Exception ex) {throw new RuntimeException(ex);}}
}

清单3 – ByteArrayWriter.java类

package org.thoth.crypto.io;import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;/**** @author Michael Remijan mjremijan@yahoo.com @mjremijan*/
public class ByteArrayWriter {protected Path outputFile;private void initOutputFile(Path outputFile) {this.outputFile = outputFile;}private void initOutputDirectory() {Path outputDirectory = outputFile.getParent();if (!Files.exists(outputDirectory)) {try {Files.createDirectories(outputDirectory);} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}}public ByteArrayWriter(Path outputFile) {initOutputFile(outputFile);initOutputDirectory();}public void write(byte[] bytesArrayToWrite) {try (OutputStream os= Files.newOutputStream(outputFile);PrintWriter writer=  new PrintWriter(os);){for (int i=0; i<bytesArrayToWrite.length; i++) {if (i>0) {writer.println();}writer.print(bytesArrayToWrite[i]);}} catch (IOException ex) {throw new RuntimeException(ex);}}
}

清单4 – ByteArrayReader.java类

package org.thoth.crypto.io;import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.file.Path;
import java.util.Scanner;/**** @author Michael Remijan mjremijan@yahoo.com @mjremijan*/
public class ByteArrayReader {protected Path inputFile;public ByteArrayReader(Path inputFile) {this.inputFile = inputFile;}public byte[] read() {try (Scanner scanner=  new Scanner(inputFile);ByteArrayOutputStream baos= new ByteArrayOutputStream();){while (scanner.hasNext()) {baos.write(Byte.parseByte(scanner.nextLine()));}baos.flush();return baos.toByteArray();} catch (IOException ex) {throw new RuntimeException(ex);}}
}

清单5 – Aes.java类

package org.thoth.crypto.symmetric;import java.security.SecureRandom;
import java.util.Optional;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.GCMParameterSpec;/**** @author Michael Remijan mjremijan@yahoo.com @mjremijan*/
public class Aes {// If you don't have the Java Cryptography Extension// (JCE) Unlimited Strength packaged installed, use// a 128 bit KEY_SIZE.public static int KEY_SIZE = 256;public static int IV_SIZE = 12; // 12bytes * 8 = 96bitspublic static int TAG_BIT_SIZE = 128;public static String ALGORITHM_NAME = "AES";public static String MODE_OF_OPERATION = "GCM";public static String PADDING_SCHEME = "PKCS5Padding";protected SecretKey secretKey;protected SecureRandom secureRandom;public Aes(SecretKey secretKey) {this.secretKey = secretKey;this.secureRandom = new SecureRandom();}public byte[] encrypt(String message, Optional<String> aad) {try {// Transformation specifies algortihm, mode of operation and paddingCipher c = Cipher.getInstance(String.format("%s/%s/%s",ALGORITHM_NAME,MODE_OF_OPERATION,PADDING_SCHEME));// Generate IVbyte iv[] = new byte[IV_SIZE];secureRandom.nextBytes(iv); // SecureRandom initialized using self-seeding// Initialize GCM ParametersGCMParameterSpec spec = new GCMParameterSpec(TAG_BIT_SIZE, iv);// Init for encryptionc.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, spec, secureRandom);// Add AAD tag data if presentaad.ifPresent(t -> {try {c.updateAAD(t.getBytes("UTF-8"));} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);}});// Add message to encryptc.update(message.getBytes("UTF-8"));// Encryptbyte[] encryptedBytes= c.doFinal();// Concatinate IV and encrypted bytes.  The IV is needed later// in order to to decrypt.  The IV value does not need to be// kept secret, so it's OK to encode it in the return value//// Create a new byte[] the combined length of IV and encryptedBytesbyte[] ivPlusEncryptedBytes = new byte[iv.length + encryptedBytes.length];// Copy IV bytes into the new arraySystem.arraycopy(iv, 0, ivPlusEncryptedBytes, 0, iv.length);// Copy encryptedBytes into the new arraySystem.arraycopy(encryptedBytes, 0, ivPlusEncryptedBytes, iv.length, encryptedBytes.length);// Returnreturn ivPlusEncryptedBytes;} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);}}public String decrypt(byte[] ivPlusEncryptedBytes, Optional<String> aad) {try {// Get IVbyte iv[] = new byte[IV_SIZE];System.arraycopy(ivPlusEncryptedBytes, 0, iv, 0, IV_SIZE);// Initialize GCM ParametersGCMParameterSpec spec = new GCMParameterSpec(TAG_BIT_SIZE, iv);// Transformation specifies algortihm, mode of operation and paddingCipher c = Cipher.getInstance(String.format("%s/%s/%s",ALGORITHM_NAME,MODE_OF_OPERATION,PADDING_SCHEME));// Get encrypted bytesbyte [] encryptedBytes = new byte[ivPlusEncryptedBytes.length - IV_SIZE];System.arraycopy(ivPlusEncryptedBytes, IV_SIZE, encryptedBytes, 0, encryptedBytes.length);// Init for decryptionc.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, spec, secureRandom);// Add AAD tag data if presentaad.ifPresent(t -> {try {c.updateAAD(t.getBytes("UTF-8"));} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);}});// Add message to decryptc.update(encryptedBytes);// Decryptbyte[] decryptedBytes= c.doFinal();// Returnreturn new String(decryptedBytes, "UTF-8");} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

摘要

加密并不容易。简单的示例将为您的应用程序带来带有安全漏洞的实现。如果您需要单密钥对称加密算法，请使用具有256位密钥和96位IV的密码AES / GCM / PKCS5Padding。

参考文献

Java密码术扩展（JCE）无限强度。（nd）。检索自http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/jce8-download-2133166.html 。
Sheth，M.（2017年4月18日）。 Java密码学中的加密和解密。从https://www.veracode.com/blog/research/encryption-and-decryption-java-cryptography检索。
cpast [表示GCM IV为96位，即96/8 = 12字节]。（2015年6月4日）。使用AES–256加密时，我可以使用256位IV [Web日志注释]。从https://security.stackexchange.com/questions/90848/encrypting-using-aes-256-can-i-use-256-bits-iv检索
Bodewes [强烈建议将GCM IV设置为12个字节（12 * 8 = 96），但可以是任意大小。其他尺寸将需要其他计算]，M。（2015年7月7日）。密文和标签大小以及在GCM模式下使用AES进行IV传输[Web日志注释]。从https://crypto.stackexchange.com/questions/26783/ciphertext-and-tag-size-and-iv-transmission-with-aes-in-gcm-mode检索。
Figlesquidge。（2013年10月18日）。 “密码”和“操作模式”之间有什么区别？ [网络日志评论]。从https://crypto.stackexchange.com/questions/11132/what-is-the-difference-between-a-cipher-and-a-mode-of-operation检索。
Toust，S.（2013年2月4日）。为什么对称和非对称加密之间的建议密钥大小会有很大差异？取自https://crypto.stackexchange.com/questions/6236/why-does-the-recommended-key-size-between-symmetric-and-asymmetric-encryption-di 。
卡罗宁（I.）（2012年10月5日）。密钥，IV和随机数之间的主要区别是什么？从https://crypto.stackexchange.com/questions/3965/what-is-the-main-difference-between-a-key-an-iv-and-a-nonce检索。
分组密码操作模式。（2017年11月6日）。维基百科。取自https://zh.wikipedia.org/wiki/Block_cipher_mode_of_operation#Initialization_vector_.28IV.29