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对称加密算法
AES （ECB模式）
AES(CBC 模式)。
非对称加密
对称加密算法
对称加密算法，是使用相同的密钥进行加密和解密。使用对称加密算法来加密双方的通信的话，双方需要先约定一个密钥，加密方才能加密，接收方才能 解密。常用的加密算法，有 DES、3DES 和 AES，国密算法包括SM1，SM4和SM7。 目前，使用 DES 来加密数据非常不安全。因此，在业务代码中要避免使用 DES 加密。而 3DES 算法，是使用不同的密钥进行三次 DES 串联调用，虽然解决 了 DES 不够安全的问题，但是比 AES 慢，也不太推荐。我们来看看AES的算法，AES 算法有ECB、CBC、 CFB、OFB、CTR 模式
AES （ECB模式）
private static final String KEY = "secretkey1234567"; //密钥
//测试ECB模式
@GetMapping("ecb")
public void ecb() throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/NoPadding");
test(cipher, null);
}
//获取加密秘钥帮助方法
private static SecretKeySpec setKey(String secret) {
return new SecretKeySpec(secret.getBytes(), "AES");
}
//测试逻辑
private static void test(Cipher cipher, AlgorithmParameterSpec parameterSpec) throws Exception {
//初始化Cipher
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, setKey(KEY), parameterSpec);
//加密测试文本
System.out.println("一次：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal("abcdefghijklmnop".getBytes())));
//加密重复一次的测试文本
System.out.println("两次：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal("abcdefghijklmnopabcdefghijklmnop".getBytes())));
//下面测试是否可以通过操纵密文来操纵明文
//发送方账号
byte[] sender = "1000000000012345".getBytes();
//接收方账号
byte[] receiver = "1000000000034567".getBytes();
//转账金额
byte[] money = "0000000010000000".getBytes();
//加密发送方账号
System.out.println("发送方账号：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(sender)));
//加密接收方账号
System.out.println("接收方账号：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(receiver)));
//加密金额
System.out.println("金额：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(money)));
//加密完整的转账信息
byte[] result = cipher.doFinal(ByteUtils.concatAll(sender, receiver, money));
System.out.println("完整数据：" + Hex.encodeHexString(result));
//用于操纵密文的临时字节数组
byte[] hack = new byte[result.length];
//把密文前两段交换
System.arraycopy(result, 16, hack, 0, 16);
System.arraycopy(result, 0, hack, 16, 16);
System.arraycopy(result, 32, hack, 32, 16);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, setKey(KEY), parameterSpec);
分区 业务常见问题 的第 16 页 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, setKey(KEY), parameterSpec);
//尝试解密
System.out.println("原始明文：" + new String(ByteUtils.concatAll(sender, receiver, money)));
System.out.println("操纵密文：" + new String(cipher.doFinal(hack)));
}
两个相同明文分组产生的密文，就是两个相同的密文分组叠在一起。在不知道密钥的情况下，我们操纵密文实现了对明文数据的修改，对调了发送方账号 和接收方账号。所以说，ECB 模式虽然简单，但是不安全，不推荐使用。
AES(CBC 模式)。
private static final String initVector = "abcdefghijklmnop"; //初始化向量
@GetMapping("cbc")
public void cbc() throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding");
IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(initVector.getBytes("UTF-8"));
test(cipher, iv);
}
可以看到，相同的明文字符串复制一遍得到的密文并不是重复两个密文分组，并且调换密文分组的顺序无法操纵明文。 不要在代码中写死一个固定的密钥和初始化向量，最好和之前提到的盐一样，是唯一、独立并且每次都变化的。推荐使用独立的加密服务来管控密钥、做 加密操作，千万不要把密钥和密文存在一个数据库，加密服务需要设置非常高的管控标准。数据库中不能保存明文的敏感信息，但可以保存脱敏的信息。 普通查询的时候，直接查脱敏信息即可。下面举个例子：
@Data
@Entity
public class UserData {
@Id
private Long id;
private String idcard;//脱敏的身份证
private Long idcardCipherId;//身份证加密ID
private String idcardCipherText;//身份证密文
private String name;//脱敏的姓名
private Long nameCipherId;//姓名加密ID
private String nameCipherText;//姓名密文
}
@Data
@Entity
public class CipherData {
@Id
@GeneratedValue(strategy = AUTO)
private Long id;
private String iv;//初始化向量
private String secureKey;//密钥
}加密服务使用 GCM 模式（ Galois/Counter Mode）的 AES-256 对称加密算法，也就是 AES-256-GCM，这是一种AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）认证加密算法，除了能实现普通加密算法提供的保密性之外，还能实现可认证性和密文完整性，是目前最推荐的 AES 模式。使用类似 GCM 的 AEAD 算法进行加解密，除了需要提供初始化向量和密钥之外，还可以提供一个 AAD（附加认证数据，additional authenticated data），用于验证未 包含在明文中的附加信息，解密时不使用加密时的 AAD 将解密失败。其实，GCM 模式的内部使用的就是 CTR 模式，只不过还使用了 GMAC 签名算法，对 密文进行签名实现完整性校验。
我们实现基于 AES-256-GCM 的加密服务，包含下面的主要逻辑：加密时允许外部传入一个 AAD 用于认证，加密服务每次都会使用新生成的随机值作为密 钥和初始化向量。在加密后，加密服务密钥和初始化向量保存到数据库中，返回加密 ID 作为本次加密的标识。应用解密时，需要提供加密 ID、密文和加 密时的 AAD 来解密。加密服务使用加密 ID，从数据库查询出密钥和初始化向量。
@Service
public class CipherService {
//密钥长度
public static final int AES_KEY_SIZE = 256;
//初始化向量长度
public static final int GCM_IV_LENGTH = 12;
//GCM身份认证Tag长度
public static final int GCM_TAG_LENGTH = 16;
@Autowired
private CipherRepository cipherRepository;
//内部加密方法
public static byte[] doEncrypt(byte[] plaintext, SecretKey key, byte[] iv, byte[] aad) throws Exception {
//加密算法
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
//Key规范
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key.getEncoded(), "AES");
//GCM参数规范
GCMParameterSpec gcmParameterSpec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH * 8, iv);
//加密模式
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, gcmParameterSpec);
//设置aad
if (aad != null)
cipher.updateAAD(aad);
//加密
byte[] cipherText = cipher.doFinal(plaintext);
return cipherText;
}
//内部解密方法
public static String doDecrypt(byte[] cipherText, SecretKey key, byte[] iv, byte[] aad) throws Exception {
//加密算法
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
//Key规范
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key.getEncoded(), "AES");
//GCM参数规范
GCMParameterSpec gcmParameterSpec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH * 8, iv);
//解密模式
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, gcmParameterSpec);
//设置aad
if (aad != null)
cipher.updateAAD(aad);
//解密
byte[] decryptedText = cipher.doFinal(cipherText);
return new String(decryptedText);
}
//加密入口
public CipherResult encrypt(String data, String aad) throws Exception {
//加密结果
CipherResult encryptResult = new CipherResult();
//密钥生成器
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
//生成密钥
keyGenerator.init(AES_KEY_SIZE);
SecretKey key = keyGenerator.generateKey();
//IV数据
byte[] iv = new byte[GCM_IV_LENGTH];
//随机生成IV
SecureRandom random = new SecureRandom();
random.nextBytes(iv);
//处理aad
byte[] aaddata = null;
if (!StringUtils.isEmpty(aad))
aaddata = aad.getBytes();
aaddata = aad.getBytes();
//获得密文
encryptResult.setCipherText(Base64.getEncoder().encodeToString(doEncrypt(data.getBytes(), key, iv, aaddata)));
//加密上下文数据
CipherData cipherData = new CipherData();
//保存IV
cipherData.setIv(Base64.getEncoder().encodeToString(iv));
//保存密钥
cipherData.setSecureKey(Base64.getEncoder().encodeToString(key.getEncoded()));
cipherRepository.save(cipherData);
//返回本地加密ID
encryptResult.setId(cipherData.getId());
return encryptResult;
}
//解密入口
public String decrypt(long cipherId, String cipherText, String aad) throws Exception {
//使用加密ID找到加密上下文数据
CipherData cipherData = cipherRepository.findById(cipherId).orElseThrow(() -> new IllegalArgumentException("invlaid cipherId"));
//加载密钥
byte[] decodedKey = Base64.getDecoder().decode(cipherData.getSecureKey());
//初始化密钥
SecretKey originalKey = new SecretKeySpec(decodedKey, 0, decodedKey.length, "AES");
//加载IV
byte[] decodedIv = Base64.getDecoder().decode(cipherData.getIv());
//处理aad
byte[] aaddata = null;
if (!StringUtils.isEmpty(aad))
aaddata = aad.getBytes();
//解密
return doDecrypt(Base64.getDecoder().decode(cipherText.getBytes()), originalKey, decodedIv, aaddata);
}
}
我们可以让用户选择，如果需要保护二要素的话，就自己输入一个查询密码作为 AAD。系统需要读取用户敏感信息的时候，还需要用户提供这个密码，否 则无法解密。这样一来，即使黑客拿到了用户数据库的密文、加密服务的密钥和 IV，也会因为缺少 AAD 无法解密。
@Autowired
private CipherService cipherService;
//加密
@GetMapping("right")
public UserData right(@RequestParam(value = "name", defaultValue = "test") String name,
@RequestParam(value = "idcard", defaultValue = "300000000000001234") String idCard,
@RequestParam(value = "aad", required = false)String aad) throws Exception {
UserData userData = new UserData();
userData.setId(1L);
//脱敏姓名
userData.setName(chineseName(name));
//脱敏身份证
userData.setIdcard(idCard(idCard));
//加密姓名
CipherResult cipherResultName = cipherService.encrypt(name,aad);
userData.setNameCipherId(cipherResultName.getId());
userData.setNameCipherText(cipherResultName.getCipherText());
//加密身份证
CipherResult cipherResultIdCard = cipherService.encrypt(idCard,aad);
userData.setIdcardCipherId(cipherResultIdCard.getId());
userData.setIdcardCipherText(cipherResultIdCard.getCipherText());
return userRepository.save(userData);
}
//解密
@GetMapping("read")
public void read(@RequestParam(value = "aad", required = false)String aad) throws Exception {
//查询用户信息
UserData userData = userRepository.findById(1L).get();
//使用AAD来解密姓名和身份证
log.info("name : {} idcard : {}",
log.info("name : {} idcard : {}",
cipherService.decrypt(userData.getNameCipherId(), userData.getNameCipherText(),aad),
cipherService.decrypt(userData.getIdcardCipherId(), userData.getIdcardCipherText(),aad));
}
//脱敏身份证
private static String idCard(String idCard) {
String num = StringUtils.right(idCard, 4);
return StringUtils.leftPad(num, StringUtils.length(idCard), "*");
}
//脱敏姓名
public static String chineseName(String chineseName) {
String name = StringUtils.left(chineseName, 1);
return StringUtils.rightPad(name, StringUtils.length(chineseName), "*");
{"id":1,"name":"朱*","idcard":"************** 1234","idcardCipherId":26346,"idcardCipherText":"t/wIh1XTj00wJP1Lt3aGzSvn9GcqQWEwthN58KKU4KZ4Tw==","nameCipherId":26347,"name CipherText":"+gHrk1 mWmveBMVUo+CYon8Zjj9QAtw=="} [21:46:00.079] [http-nio-45678-exec-6] [INFO ] [o.g.t.c.s.s.StoreIdCardController:102 ] - name : test idcard : 300000000000001234
错误的aad会抛出异常 javax.crypto.AEADBadTagException: Tag mismatch! at com.sun.crypto.provider.GaloisCounterMode.decryptFinal(GaloisCounterMode.java:578) at com.sun.crypto.provider.CipherCore.finalNoPadding(CipherCore.java:1116) at com.sun.crypto.provider.CipherCore.fillOutputBuffer(CipherCore.java:1053) at com.sun.crypto.provider.CipherCore.doFinal(CipherCore.java:853) at com.sun.crypto.provider.AESCipher.engineDoFinal(AESCipher.java:446) at javax.crypto.Cipher.doFinal(Cipher.java:2164)
非对称加密
公钥密码算法。公钥密码是由一对密钥对构成的，使用公钥或者说加密密钥来加密，使用私钥或者说解密密钥来解密，公钥可以任意公开，私钥不能公 开。使用非对称加密的话，通信双方可以仅分享公钥用于加密，加密后的数据没有私钥无法解密，国密算法包括SM2，SM9。
