内容简介:还记得上初二的那年夏天,班里来了一个新同学,他就住在我家对面的楼里,于是我们一起上学放学,很快便成了最要好的朋友。我们决定发明一套神秘的沟通方式,任何人看到都不可能猜到它的真实含义。我们第一个想到的就是汉语拼音,但很显然光把一个句子变成汉语拼音是不够的,于是我们把26个英文字母用简谱的方式从低音到高音排起来,就得到了一个简单的密码本:把“
还记得上初二的那年夏天,班里来了一个新同学,他就住在我家对面的楼里,于是我们一起上学放学,很快便成了最要好的朋友。我们决定发明一套神秘的沟通方式,任何人看到都不可能猜到它的真实含义。我们第一个想到的就是汉语拼音,但很显然光把一个句子变成汉语拼音是不够的,于是我们把26个英文字母用简谱的方式从低音到高音排起来,就得到了一个简单的密码本:
把“ 我们都是好朋友
”用这个密码本变换之后就得到了这样的结果:
小时候玩这个游戏乐此不疲,觉得非常有趣。上大学后,有幸听卢开澄教授讲《计算机密码学》,才知道原来我们小时候玩的这个游戏远远不能称之为加密。那么到底什么是加密呢?
什么是加密?
把字符串 123456
经过 base64
变换之后,得到了 MTIzNDU2
,有人说这是 base64
加密。
把字符串 123456
经过 md5
变换之后,得到了 E10ADC3949BA59ABBE56E057F20F883E
,有人说这是 md5
加密。
从严格意义上来说,不管是 base64
还是 md5
甚至更复杂一些的 sha256
都不能称之为加密。
一句话,没有密钥的算法都不能叫加密。
ASCII
。
base64
只是一种编码方式。
杂凑(Hashing)是电脑科学中一种对资料的处理方法,通过某种特定的函数/算法(称为杂凑函数/算法)将要检索的项与用来检索的索引(称为杂凑,或者杂凑值)关联起来,生成一种便于搜索的资料结构(称为杂凑表)。杂凑算法常被用来保护存在资料库中的密码字符串,由于杂凑算法所计算出来的杂凑值具有不可逆(无法逆向演算回原本的数值)的性质,因此可有效的保护密码。常用的杂凑算法包括 md5
, sha1
, sha256
等。
加密(Encryption)是将明文信息改变为难以读取的密文内容,使之不可读的过程。只有拥有解密方法的对象,经由解密过程,才能将密文还原为正常可读的内容。加密分为对称加密和非对称加密,对称加密的常用算法包括 DES
, AES
等,非对称加密算法包括 RSA
,椭圆曲线算法等。
在古典加密算法当中,加密算法和密钥都是不能公开的,一旦泄露就有被破解的风险,我们可以用词频推算等方法获知明文。 1972
年美国 IBM
公司研制的 DES
算法( Data Encryption Standard
)是人类历史上第一个公开加密算法但不公开密钥的加密方法,后来成为美国军方和政府机构的标准加密算法。 2002
年升级成为 AES
算法( Advanced Encryption Standard
),我们今天就从 AES
开始入手学习加密和解密。
准备工具
通常情况下,加解密都只需要在服务端完成就够了,这也是网上大多数教程和样例代码的情况,但在某种特殊情况下,你需要用一种语言加密而用另一种语言解密的时候,最好有一个中立的公正的第三方结果集来验证你的加密结果,否则一旦出错,你都不知道是加密算法出错了,还是解密算法出错了,对此我们是有惨痛教训的,特别是如果一个公司里,写加密的是前端,用的是 js
语言,而写解密的是后端,用的是 java
语言或者 php
语言或者 go
语言,则双方更需要有这样一个客观公正的平台,否则你们之间必然会陷入永无休止的互相指责的境地,前端说自己没有错,是后端解密解错了,后端说解密没有错,是前端加密写错了,而事实上是双方都是菜鸟,对密码学一知半解,在这种情况下浪费的时间就更多。
在线AES加密解密 就是这样的一个 工具 网站,你可以在上面验证你的加密结果,如果你加密得到的结果和它的结果完全一致,就说明你的加密算法没有问题,否则你就去调整,直到和它的结果完全一致为止。反之亦然,如果它能从一个密文解密解出来,而你的代码解不出来,那么一定是你的算法有问题,而不可能是数据的问题。
我们先在这个网站上对一个简单的字符串 123456
进行加密。
下面我们对网站上的所有选项逐个解释一下:
-
AES
加密模式 :这里我们选择的是ECB
(ee cc block
)模式。这是AES
所有模式中最简单也是最不被人推荐的一种模式,因为它的固定的明文对应的是固定的密文,很容易被破解。但是既然是练习的话,就让我们先从最简单的开始。 - 填充 :在这里我们选择
pkcs
标准的pkcs7padding
。 - 数据块 :我们选择
128
位,因为java
端解密算法目前只支持AES128
,所以我们先从128
位开始。 - 密钥 :因为我们前面选择了
128
位的数据块,所以这里我们用128 / 8 = 16
个字节来处理,我们先简单地填入16
个0
,其实你也可以填写任意字符,比如abcdefg1234567ab
或者其它,只要是16
个字节即可。理论上来说,不是16
个字节也可以用来当密钥,优秀的算法会自动补齐,但是为了简单起见,我们先填入16
个0
。 - 偏移量 :置空。因为是
ECB
模式,不需要iv
偏移量。 - 输出 :我们选择
base64
编码方式。 - 字符集 :这里因为我们只加密英文字母和阿拉伯数字,所以选择
utf-8
和gb2312
都是一样的。
好了,现在我们知道按照以上选项设置好之后的代码如果加密 123456
的话,应该输出 DoxDHHOjfol/2WxpaXAXgQ==
,如果不是这个结果,那就是加密端的问题。
AES-ECB
AES-ECB的Javascript加密
为了完成 AES
加密,我们并不需要自己手写一个 AES
算法,不需要去重复造轮子。但如何选择 js
的加密库是个很有意思的挑战。我们尝试了很多方法,一开始我们尝试了 aes-js 这个库,但它不支持 RSA
算法,后来我们看到 Web Crypto API 这种浏览器自带的加密库,原生支持 AES
和 RSA
,但它的 RSA
实现和 Java
不兼容,最终我们还是选择了 Forge 这个库,它天生支持 AES
的各种子集,并且它的 RSA
也能和 Java
完美配合。
使用 forge
编写的 js
代码实现 AES-ECB
加密的代码就是下面这些:
const cipher = forge.cipher.createCipher('AES-ECB', '这里是16字节密钥'); cipher.start(); cipher.update(forge.util.createBuffer('这里是明文')); cipher.finish(); const result = forge.util.encode64(cipher.output.getBytes())
forge
的 AES
缺省就是 pkcs7padding
,所以不用特别设置。运行它之后你就会得到正确的加密结果。
AES-ECB的 Java 解密
接下来我们看看Java端的解密代码该如何写:
try { Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding"); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec("这里是16字节密钥".getBytes(), "AES")); String plaintext = new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode("这里是明文".getBytes())), "UTF-8"); System.out.println(plaintext); } catch (Exception e) { System.out.println("解密出错:" + e.toString()); }
注意这里我们用到的是 PKCS5Padding
,上面加密的时候不是用的是 pkcs7padding
吗?怎么这里变成 5
了呢?
我们先来了解一下什么是 pkcs
。 pkcs
的全称是 Public Key Cryptography Standards
( 公钥加密标准 ),这是 RSA
实验室制定的一系列的公钥密码编译标准,比较著名的有 pkcs1
, pkcs5
, pkcs7
, pkcs8
这四个,它们分别管理的是不同的内容。在这里我们只是用它来填充,所以我们只关注 pkcs5
和 pkcs7
就够了。那么 pkcs5
和 pkcs7
有什么区别呢?其实在填充方面它们两个的算法是一样的, pkcs5
是 pkcs7
的一个子集,区别在于 pkcs5
是 8
字节固定的,而 pkcs7
可以是 1
到 255
之间的任意字节。但用在 AES
算法上,因为 AES
标准规定块大小必须是 16
字节或者 24
字节或者 32
字节,不可能用 pkcs5
的 8
字节,所以 AES
算法只能用 pkcs7
填充。但是由于 java
早期工程师犯的一个命名上的错误,他们把 AES
填充算法的名称设定为 pkcs5
,而实际实现中实现的是 pkcs7
,所以我们在 java
端开发解密的时候需要使用 pkcs5
。
AES-CBC
谈完了不安全的 AES-ECB
,我们来做一下相对安全一些的 AES-CBC
模式。
AES-CBC的Javascript加密
直接上代码:
const cipher = forge.cipher.createCipher('AES-CBC', '这里是16字节密钥'); cipher.start({ iv: '这里是16字节偏移量' }); cipher.update(forge.util.createBuffer('这里是明文')); cipher.finish(); const result = forge.util.encode64(cipher.output.getBytes());
跟上面的 AES-ECB
差不多,唯一区别只是在 start
函数里定义了一个 iv
。
AES-CBC的Java解密
下面是 Java
代码:
try { Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec("这里是16字节密钥".getBytes(), "AES"), new IvParameterSpec("这里是16字节偏移量".getBytes())); String plaintext = new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode("这里是明文".getBytes())), "UTF-8"); System.out.println(plaintext); } catch (Exception e) { System.out.println("解密出错:" + e.toString()); }
也是同样,跟上面用 AES-ECB
时的模式几乎一模一样,只是增加了一个 IvParameterSpec
,用来生成 iv
,在 cipher.init
里面增加了一个 iv
参数,除此之外完全相同,就这样我们就已经实现了一个简单的 CBC
模式。
RSA
但是以上两种做法都明显是非常不安全的,因为我们把加密用的密钥和 iv
参数都直接暴露在了前端,为此我们需要一种更加安全的加密方法—— RSA
。因为 RSA
是非对称加密,即使我们把加密用的公钥完全暴露在前端也不必担心,别人即使截获了我们的密文,但因为他们没有解密密钥,是无法解出我们的明文的。
生成密钥对
要用 RSA
加密,首先我们需要生成一个公钥和一个私钥,我们可以直接执行命令 ssh-keygen
。它会问我们密钥文件保存的文件夹,注意一定要单独找一个文件夹存放,不要放在缺省文件夹下,否则你日常使用的 ssh
公钥和私钥就都被覆盖了。
得到公钥文件之后,由于这个公钥文件是 rfc4716
格式的,而我们的 forge
库要求一个 pkcs1
格式的公钥,所以这里我们需要把它转换成 pem
格式(也就是 pkcs1
格式):
ssh-keygen -f 公钥文件名 -m pem -e
RSA的Javascript加密
得到 pem
格式的公钥之后,我们来看一下 js
的代码:
forge.util.encode64(forge.pki.publicKeyFromPem('-----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----MIIBCfdsafasfasfafsdaafdsaAB-----END RSA PUBLIC KEY-----').encrypt('这里是明文', 'RSA-OAEP', { md: forge.md.sha256.create(), mgf1: { md: forge.md.sha1.create() } });
一句话就完成整个加密过程了,这就是 forge
的强大之处。
RSA的Java解密
接下来我们看解密。
对于私钥,因为 Java
只支持 PKCS8
,而我们用 ssh-keygen
生成的私钥是 pkcs1
的,所以还需要用以下命令把 pkcs1
的私钥转换为 pkcs8
的私钥:
openssl pkcs8 -topk8 -inform PEM -outform PEM -nocrypt -in 私钥文件名 -out 导出文件名
得到 pkcs8
格式的私钥之后,我们把这个文件的头和尾去掉,然后放入以下 Java
代码:
try { Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding"); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(Base64.getDecoder().decode("这里是私钥")))); String plaintext = new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode("这里是密文".getBytes())), "UTF-8"); System.out.println(plaintext); } catch (Exception e) { System.out.println("解密出错:" + e.toString()); }
和上面的 AES
解密类似,只是增加了 KeyFactory
读取 PKCS8
格式私钥的部分,这样我们就完成了 Java
端的 RSA
解密。
以上我们用最简单的方式实现了 js
端加密, java
端解密的过程,感兴趣的朋友可以在这里下载完整的代码亲自验证一下:
以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持 码农网
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