JAVA：对称加密技术的详细指南

news2024/9/20 1:07:58

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1、简述

对称加密是一种加密算法，其中加密和解密使用相同的密钥。其主要特点是速度快、效率高，适用于大数据量的加密需求。对称加密算法通常用于保护数据的机密性和完整性，广泛应用于网络通信、数据存储等领域。
在这里插入图片描述

2、工作原理

对称加密的核心在于加密密钥和解密密钥相同。加密过程将明文通过加密算法和密钥转换为密文，解密过程则是将密文通过相同的密钥和算法转换回明文。其安全性依赖于密钥的保密性，如果密钥泄露，攻击者可以轻松解密加密数据。
在这里插入图片描述

3、加密算法

Java提供了丰富的库来实现对称加密算法，常见的加密方式有DES、AES、3DES、Blowfish和RC4等对称加密算法，以下列举了对称加密算法的实例。

3.1 DES（Data Encryption Standard）

DES 是一种早期的对称加密算法，使用56位密钥。虽然曾经被广泛使用，但由于密钥长度较短，安全性已经不足，容易被暴力破解。

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class DESEncryption {

    public static SecretKey generateKey() throws Exception {
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("DES");
        keyGen.init(56); // DES 密钥长度为 56 位
        return keyGen.generateKey();
    }

    public static String encrypt(String plainText, SecretKey key) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }

    public static String decrypt(String encryptedText, SecretKey key) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(decodedBytes);
        return new String(decryptedBytes);
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            SecretKey key = generateKey();
            String plainText = "Hello, DES!";
            String encryptedText = encrypt(plainText, key);
            String decryptedText = decrypt(encryptedText, key);

            System.out.println("Original Text: " + plainText);
            System.out.println("Encrypted Text: " + encryptedText);
            System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
3.2 3DES（Triple DES）

为了增强DES的安全性，3DES对数据进行三次加密处理，密钥长度增加到112位或168位。尽管更安全，但处理速度较慢。

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class TripleDESEncryption {

    public static SecretKey generateKey() throws Exception {
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("DESede");
        keyGen.init(168); // 3DES 密钥长度为 168 位
        return keyGen.generateKey();
    }

    public static String encrypt(String plainText, SecretKey key) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }

    public static String decrypt(String encryptedText, SecretKey key) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(decodedBytes);
        return new String(decryptedBytes);
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            SecretKey key = generateKey();
            String plainText = "Hello, 3DES!";
            String encryptedText = encrypt(plainText, key);
            String decryptedText = decrypt(encryptedText, key);

            System.out.println("Original Text: " + plainText);
            System.out.println("Encrypted Text: " + encryptedText);
            System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
3.3 AES（Advanced Encryption Standard）

AES 是当前应用最广泛的对称加密算法，支持128位、192位和256位密钥长度。AES 具有较高的安全性和效率，已成为数据加密的标准。

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class AESExample {

    // 生成 AES 密钥
    public static SecretKey generateKey() throws Exception {
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGen.init(256); // 使用256位密钥
        return keyGen.generateKey();
    }

    // 加密
    public static String encrypt(String plainText, SecretKey key) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }

    // 解密
    public static String decrypt(String encryptedText, SecretKey key) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(decodedBytes);
        return new String(decryptedBytes);
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            SecretKey key = generateKey(); // 生成密钥
            String plainText = "Hello, World!";
            String encryptedText = encrypt(plainText, key); // 加密
            String decryptedText = decrypt(encryptedText, key); // 解密

            System.out.println("Original Text: " + plainText);
            System.out.println("Encrypted Text: " + encryptedText);
            System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
3.4 Blowfish

Blowfish 是一种快速的对称加密算法，支持32位到448位的可变密钥长度，适用于替代DES。

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class BlowfishEncryption {

    public static SecretKey generateKey() throws Exception {
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("Blowfish");
        keyGen.init(128); // Blowfish 密钥长度为 32 到 448 位，常用 128 位
        return keyGen.generateKey();
    }

    public static String encrypt(String plainText, SecretKey key) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("Blowfish");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }

    public static String decrypt(String encryptedText, SecretKey key) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("Blowfish");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(decodedBytes);
        return new String(decryptedBytes);
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            SecretKey key = generateKey();
            String plainText = "Hello, Blowfish!";
            String encryptedText = encrypt(plainText, key);
            String decryptedText = decrypt(encryptedText, key);

            System.out.println("Original Text: " + plainText);
            System.out.println("Encrypted Text: " + encryptedText);
            System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
3.5 RC4

RC4 是一种流加密算法，具有简单和高效的特点，但由于其已被多次破解，安全性存疑。需要注意的是，RC4 已被认为不安全，不推荐用于实际应用。

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class RC4Encryption {

    public static SecretKey generateKey() throws Exception {
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("RC4");
        keyGen.init(128); // RC4 密钥长度为 40 到 2048 位，常用 128 位
        return keyGen.generateKey();
    }

    public static String encrypt(String plainText, SecretKey key) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RC4");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }

    public static String decrypt(String encryptedText, SecretKey key) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RC4");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(decodedBytes);
        return new String(decryptedBytes);
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            SecretKey key = generateKey();
            String plainText = "Hello, RC4!";
            String encryptedText = encrypt(plainText, key);
            String decryptedText = decrypt(encryptedText, key);

            System.out.println("Original Text: " + plainText);
            System.out.println("Encrypted Text: " + encryptedText);
            System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

4、总结

对称加密算法在现代数据保护中扮演着重要角色。通过上述 对称加密解析，可以清晰地了解如何使用对称加密算法进行数据的加密和解密操作。请注意，在实际应用中，AES 是目前推荐的对称加密算法，因为它在安全性和性能方面都有较好的表现。其他算法，如DES和RC4，已经被认为不够安全，不推荐使用。

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