一文搞懂對稱加密：加密演算法、作業模式、填充方式、代碼實作-有解無憂

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上篇介紹了《單向散列加密》，它是一種訊息摘要演算法，該演算法在資訊安全領域，有很多重要的應用場景，比如：用戶密碼保護、數字簽名、檔案完整性校驗、云盤妙傳等，

單向散列加密只能夠對訊息進行加密（嚴格來說是計算訊息的摘要），想要實作對密文解密，需要使用其它加密方式了，今天介紹一個在資訊安全領域中，比較重要的加密方式——對稱加密，

下面是本篇講述內容：

加密、解密和密鑰

加密（Encrypt）是從明文生成密文的步驟，解密（Decrypt）是從密文還原成明文的步驟，而這兩個步驟都需要用到密鑰（Key），這和我們現實中，用鑰匙上鎖和開鎖是一樣的，

加密、解密和密鑰

什么是對稱加密

對稱加密（Symmetric Cryptography）是密碼學中的一類加密演算法，這類演算法在加密和解密時，使用相同的密鑰，

對稱加密又稱為共享密鑰加密，其最大的缺點是，對稱加密的安全性依賴于密鑰，一旦泄露，就意味著任何人都能解密訊息，

對稱加密的優點是加密速度快，所以在很多場合被使用，

常見演算法

本節介紹對稱加密的一些常見演算法，包括DES、3DES和AES，

DES演算法

DES（Data Encryption Standard，中文：資料加密標準），是一種對稱加密演算法，該演算法在1976年被美國聯邦政府的國家標準局確定為聯邦資料處理標準（FIPS），并于1977年被發布，隨后在國際上廣泛流傳開來，然而，隨著計算機的進步，DES 已經能夠被暴力破解，所以該演算法已經不安全了，

DES是一種分組密碼（Block Cipher，或者叫塊加密），即將明文按64位元進行分組加密，每組生成64位位元的密文，它的密鑰長度為56位元（從規格上來說，密鑰長度是64位元，但由于每隔7位元會設定一個用于錯誤檢查的位元，因此實際長度為56位元），

DES演算法

3DES演算法

三重資料加密演算法（Triple Data Encryption Algorithm，縮寫為TDEA），簡稱3DES（Triple-DES），是DES的增強版，相當于對每組資料應用了三次DES演算法，

由于DES演算法的密鑰長度過短，容易被暴力破解，為了解決這一問題，設計出了該演算法，它使用簡單的方法，通過增加DES密鑰長度的方式來避免類似攻擊，而不是一種全新的密碼演算法，

該演算法在每次應用DES時，使用不同的密鑰，所以有三把獨立密鑰，這三把密鑰組成一起，是一個長度為168（56 + 56 + 56）位元的密鑰，所以3DES演算法的密鑰總長度為168位元，

3DES的加密程序，并不是進行三次DES加密（加密→加密→加密），而是以密鑰1、密鑰2、密鑰3的順序，進行加密→解密→加密的程序，

3DES加密

3DES的解密程序和加密正好相反，是以密鑰3、密鑰2、密鑰1的順序，進行解密→加密→解密的操作，

3DES解密

AES演算法

AES（Advanced Encryption Standard），即高級加密標準，是取代DES演算法的一種新的對稱加密演算法，AES演算法是從全世界的企業和密碼學家，提交的對稱密碼演算法中競選出來的，最終 Rijndael 加密演算法勝出，所以AES又稱為 Rijndael 加密演算法，

AES也是一種分組密碼，它的分組長度為128位元，密鑰長度可以為128位元、192位元或256位元，

AES演算法

分組密碼的模式

上面介紹的DES、3DES和AES都屬于分組密碼，它們只能加密固定長度的明文，如果需要加密更長的明文，就需要對分組密碼進行迭代，而分組密碼的迭代方法稱為分組密碼的模式（Model），簡而一句話：分組密碼的模式，就是分組密碼的迭代方式，

分組密碼有很多種模式，這里主要介紹以下幾種：ECB、CBC、CFB、OFB、CTR，

明文分組與密文分組

在下面對模式的介紹時，會用到兩個術語，這里先介紹一下：

在分組密碼中，我們稱每組的明文為明文分組，每組生成的密文稱為密文分組，

若將所有的明文分組合并起來就是完整的明文（先忽略填充），將所以的密文分組合并起來就是完整的密文，

ECB模式

ECB（Electronic CodeBook）模式，即電子密碼本模式，該模式是將明文分組，加密后直接成為密文分組，分組之間沒有關系，

ECB模式

ECB模式是所有模式中最簡單的一種，該模式的明文分組與密文分組是一一對應的關系，若明文分組相同，其密文分組也一定相同，因此，ECB模式也是最不安全的模式，

CBC模式

CBC（Cipher Block Chaining）模式，即密碼分組鏈接模式，該模式首先將明文分組與前一個密文分組進行XOR運算，然后再進行加密，只有第一個明文分組特殊，需要提前為其生成一個與分組長度相同的位元序列，進行XOR運算，這個位元序列稱為初始化向量（Initialization Vector），簡稱IV，

CBC模式

CFB模式

CFB（Cipher FeedBack）模式，即密文反饋模式，該模式首先將前一個密文分組進行加密，再與當前明文分組進行XOR運算，來生成密文分組，同樣CFB模式也需要一個IV，

CFB模式

OFB模式

OFB（Output FeedBack）模式，即輸出反饋模式，該模式會產生一個密鑰流，即將密碼演算法的前一個輸出值，做為當前密碼演算法的輸入值，該輸入值再與明文分組進行XOR運行，計算得出密文分組，該模式需要一個IV，進行加密后做為第一個分組的輸入，

OFB模式

CTR模式

CTR（CounTeR）模式，即計數器模式，該模式也會產生一個密鑰流，它通過遞增一個計數器來產生連續的密鑰流，對該計數器進行加密，再與明文分組進行XOR運算，計算得出密文分組，

CTR模式

分組密碼的填充

在分組密碼中，當資料長度不符合分組長度時，需要按一定的方式，將尾部明文分組進行填充，這種將尾部分組資料填滿的方法稱為填充（Padding)，

No Padding

即不填充，要求明文的長度，必須是加密演算法分組長度的整數倍，

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD DD DD DD DD |

ANSI X9.23

在填充位元組序列中，最后一個位元組填充為需要填充的位元組長度，其余位元組填充0，

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 00 00 00 04 |

ISO 10126

在填充位元組序列中，最后一個位元組填充為需要填充的位元組長度，其余位元組填充亂數，

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 81 A6 23 04 |

PKCS#5和PKCS#7

在填充位元組序列中，每個位元組填充為需要填充的位元組長度，

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 04 04 04 04 |

ISO/IEC 7816-4

在填充位元組序列中，第一個位元組填充固定值80，其余位元組填充0，若只需填充一個位元組，則直接填充80，

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 80 00 00 00 |

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD DD DD DD 80 |

Zero Padding

在填充位元組序列中，每個位元組填充為0，

... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 00 00 00 00 |

Java代碼實作

Java在底層已經封裝好了對稱加密的實作，我們只需要使用即可，現在介紹幾個重要的類：

SecureRandom類

SecureRandom類是一個強安全的亂數生成器（Random Number Generator，簡稱：RNG），加密相關的推薦使用此亂數生成器，

我們可以通過構造方法生成一個實體，或者向構造方法傳遞一個種子來創建實體，

SecureRandom random = new SecureRandom();

KeyGenerator類

KeyGenerator類是對稱密碼的密鑰生成器，需要指定加密演算法，來生成相應的密鑰，

Java中支持的演算法：

AES (128)
DES (56)
DESede (168)
HmacSHA1
HmacSHA256

下面是一些標準演算法的介紹：

標準演算法

生成密鑰代碼如下：

/**
 * 通過密碼和演算法獲取 Key 物件
 *
 * @param key       密鑰
 * @param algorithm 演算法，例如：AES (128)、DES (56)、DESede (168)、HmacSHA1、HmacSHA256
 * @return 密鑰 Key
 * @throws Exception
 */
private static Key getKey(byte[] key, String algorithm) throws Exception {
    // 通過演算法獲取 KeyGenerator 物件
    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
    // 使用密鑰做為亂數，初始化 KeyGenerator 物件
    keyGenerator.init(new SecureRandom(key));
    // 生成 Key
    return keyGenerator.generateKey();
}

Cipher類

Cipher類提供了加密和解密的功能，該類需要指定一個轉換（Transformation）來創建一個實體，轉換的命名方式：演算法名稱/作業模式/填充方式，

下面是Java支持的轉換：

AES/CBC/NoPadding (128)
AES/CBC/PKCS5Padding (128)
AES/ECB/NoPadding (128)
AES/ECB/PKCS5Padding (128)
DES/CBC/NoPadding (56)
DES/CBC/PKCS5Padding (56)
DES/ECB/NoPadding (56)
DES/ECB/PKCS5Padding (56)
DESede/CBC/NoPadding (168)
DESede/CBC/PKCS5Padding (168)
DESede/ECB/NoPadding (168)
DESede/ECB/PKCS5Padding (168)
RSA/ECB/PKCS1Padding (1024, 2048)
RSA/ECB/OAEPWithSHA-1AndMGF1Padding (1024, 2048)
RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding (1024, 2048)

下面是一些標準的模式：

標準模式

下面是一些標準的填充：

標準填充

加密代碼如下：

private static final String DES_ALGORITHM = "DES";
private static final String DES_TRANSFORMATION = "DES/ECB/PKCS5Padding";

/**
 * DES 加密
 *
 * @param data 原始資料
 * @param key  密鑰
 * @return 密文
 */
private static byte[] encryptDES(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
    // 獲取 DES Key
    Key secretKey = getKey(key, DES_ALGORITHM);

    // 通過標準轉換獲取 Cipher 物件, 由該物件完成實際的加密操作
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_TRANSFORMATION);
    // 通過加密模式、密鑰，初始化 Cipher 物件
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
    // 生成密文
    return cipher.doFinal(data);
}

解密代碼如下：

private static final String DES_ALGORITHM = "DES";
private static final String DES_TRANSFORMATION = "DES/ECB/PKCS5Padding";

/**
 * DES 解密
 *
 * @param data 密文
 * @param key  密鑰
 * @return 原始資料
 */
private static byte[] decryptDES(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
    // 獲取 DES Key
    Key secretKey = getKey(key, DES_ALGORITHM);
    // 通過標準轉換獲取 Cipher 物件, 由該物件完成實際的加密操作
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_TRANSFORMATION);
    // 通過解密模式、密鑰，初始化 Cipher 物件
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
    // 生成原始資料
    return cipher.doFinal(data);
}

完整代碼

完整代碼請訪問我的Github，若對你有幫助，歡迎給個?，感謝~~🌹🌹🌹

https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos/blob/main/java-source-analysis/src/main/java/io/github/gozhuyinglong/utils/SymmetricKeyUtil.java

一文搞懂對稱加密：加密演算法、作業模式、填充方式、代碼實作

加密、解密和密鑰

什么是對稱加密

常見演算法

DES演算法

3DES演算法

AES演算法

分組密碼的模式

明文分組與密文分組

ECB模式

CBC模式

CFB模式

OFB模式

CTR模式

分組密碼的填充

No Padding

ANSI X9.23

ISO 10126

PKCS#5和PKCS#7

ISO/IEC 7816-4

Zero Padding

Java代碼實作

SecureRandom類

KeyGenerator類

Cipher類

完整代碼

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