项目安全-----加密算法实现-编程知识

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Ciphercipher.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 {@Idprivate Long id;private String idcard;//脱敏的身份证private Long idcardCipherId;//身份证加密IDprivate String idcardCipherText;//身份证密文private String name;//脱敏的姓名private Long nameCipherId;//姓名加密IDprivate 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;@Autowiredprivate 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aadif (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aadif (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IVSecureRandom random = new SecureRandom();random.nextBytes(iv);//处理aadbyte[] 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IVcipherData.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IDencryptResult.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IVbyte[] decodedIv = Base64.getDecoder().decode(cipherData.getIv());//处理aadbyte[] 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。

    @Autowiredprivate 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)