对称加密算法——3DES加密算法

对称加密算法——3DES加密算法

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/2301_79455190/article/details/145588278

Java 3DES算法详解

1. 理论背景

1.1 对称加密算法

对称加密算法是指加密和解密使用相同密钥的加密算法。常见的对称加密算法有DES、3DES、AES等。对称加密算法的优点是加密速度快，适合大量数据的加密；缺点是密钥管理复杂，密钥分发困难。

1.2 DES算法

DES（Data Encryption Standard）是一种对称加密算法，由IBM于1975年开发，1977年被美国国家标准局（NBS，现为NIST）采纳为联邦标准。DES使用56位密钥对64位数据进行加密，但由于密钥长度较短，安全性不足，逐渐被淘汰。

1.3 3DES算法

3DES（Triple DES）是DES的增强版，通过对DES算法进行三次加密来提高安全性。3DES使用两个或三个56位密钥，密钥长度可达112位或168位，安全性大大增强。

2. 算法概述

3DES是对DES算法的改进，通过对数据进行三次DES加密来提高安全性。3DES的加密过程可以表示为：

Ciphertext = E(K3, D(K2, E(K1, Plaintext)))

其中：

• E 表示DES加密
• D 表示DES解密
• K1, K2, K3 是三个不同的56位密钥

3DES的解密过程与加密过程相反：

Plaintext = D(K1, E(K2, D(K3, Ciphertext)))

3. 算法特点

• 安全性高：3DES通过对数据进行三次加密，密钥长度可达168位，安全性远高于DES。
• 兼容性好：3DES与DES兼容，可以使用现有的DES硬件和软件实现。
• 速度较慢：由于进行了三次加密，3DES的加密速度比DES慢。

4. 算法的模式

3DES支持多种加密模式，常见的模式有：

• ECB（Electronic Codebook）模式：将数据分成固定大小的块，每个块独立加密。ECB模式简单，但安全性较低，容易受到重放攻击。
• CBC（Cipher Block Chaining）模式：每个数据块与前一个加密块进行异或操作后再加密，提高了安全性。CBC模式需要初始化向量（IV）。
• CFB（Cipher Feedback）模式：将前一个密文块作为输入，生成密钥流，与明文进行异或操作。CFB模式可以实现流加密。
• OFB（Output Feedback）模式：与CFB类似，但生成的密钥流与明文无关，适合在不可靠的信道上传输。
• CTR（Counter）模式：使用计数器生成密钥流，与明文进行异或操作。CTR模式可以实现并行加密。

5. 加密过程详细解析

5.1 密钥生成

3DES使用两个或三个56位密钥，密钥长度可以是112位或168位。密钥可以通过随机数生成器生成，也可以通过密钥派生函数生成。

5.2 加密过程

3DES的加密过程分为三步：

1. 使用第一个密钥 K1 对明文进行DES加密。
2. 使用第二个密钥 K2 对第一步的结果进行DES解密。
3. 使用第三个密钥 K3 对第二步的结果进行DES加密。

5.3 解密过程

3DES的解密过程与加密过程相反：

1. 使用第三个密钥 K3 对密文进行DES解密。
2. 使用第二个密钥 K2 对第一步的结果进行DES加密。
3. 使用第一个密钥 K1 对第二步的结果进行DES解密。

6. Java实现3DES的详细步骤

6.1 导入相关库

Java提供了 javax.crypto 包来实现加密算法。首先需要导入相关库：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESedeKeySpec;
import java.security.spec.KeySpec;
import java.util.Base64;

6.2 生成密钥

可以使用 DESedeKeySpec 类来生成3DES密钥：

String keyString = "1234567890abcdef1234567890abcdef"; // 24字节的密钥
byte[] keyBytes = keyString.getBytes();
KeySpec keySpec = new DESedeKeySpec(keyBytes);
SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(keySpec);

6.3 初始化Cipher对象

使用 Cipher 类来初始化和执行加密和解密操作：

Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);

6.4 加密数据

使用 Cipher 对象的 doFinal 方法对数据进行加密：

String plaintext = "Hello, 3DES!";
byte[] plaintextBytes = plaintext.getBytes();
byte[] ciphertextBytes = cipher.doFinal(plaintextBytes);
String ciphertext = Base64.getEncoder().encodeToString(ciphertextBytes);
System.out.println("Ciphertext: " + ciphertext);

6.5 解密数据

使用 Cipher 对象的 doFinal 方法对数据进行解密：

cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(ciphertext));
String decryptedText = new String(decryptedBytes);
System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText);

7. 示例代码并添加详细注释

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESedeKeySpec;
import java.security.spec.KeySpec;
import java.util.Base64;

public class TripleDESExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1. 定义密钥字符串，长度为24字节
        String keyString = "1234567890abcdef1234567890abcdef";
        byte[] keyBytes = keyString.getBytes();
        // 2. 创建DESedeKeySpec对象
        KeySpec keySpec = new DESedeKeySpec(keyBytes);
        // 3. 获取SecretKeyFactory实例
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
        // 4. 生成SecretKey
        SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(keySpec);
        // 5. 创建Cipher实例，使用DESede/ECB/PKCS5Padding模式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/PKCS5Padding");
        // 6. 初始化Cipher为加密模式
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
        // 7. 定义明文
        String plaintext = "Hello, 3DES!";
        byte[] plaintextBytes = plaintext.getBytes();
        // 8. 加密数据
        byte[] ciphertextBytes = cipher.doFinal(plaintextBytes);
        String ciphertext = Base64.getEncoder().encodeToString(ciphertextBytes);
        System.out.println("Ciphertext: " + ciphertext);
        // 9. 初始化Cipher为解密模式
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
        // 10. 解密数据
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(ciphertext));
        String decryptedText = new String(decryptedBytes);
        System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText);
    }
}

8. 代码的逐步解析

1. 密钥生成：使用24字节的字符串生成3DES密钥。
2. Cipher初始化：使用 DESede/ECB/PKCS5Padding 模式初始化Cipher对象。
3. 加密过程：将明文转换为字节数组，使用Cipher对象进行加密，并将结果转换为Base64编码的字符串。
4. 解密过程：将Base64编码的密文解码为字节数组，使用Cipher对象进行解密，并将结果转换为字符串。

9. 注意事项

• 密钥管理：3DES的密钥长度较长，密钥管理复杂，建议使用安全的密钥管理系统。
• 加密模式选择：ECB模式安全性较低，建议使用CBC或其他更安全的模式。
• 填充方式：PKCS5Padding是常用的填充方式，确保数据块大小符合要求。

10. 常见错误处理

• 密钥长度错误：3DES密钥长度必须为24字节，否则会抛出 InvalidKeyException 。
• 数据块大小错误：如果数据块大小不符合要求，会抛出 IllegalBlockSizeException 。
• 填充错误：如果填充方式不正确，会抛出 BadPaddingException 。

11. 性能优化

• 硬件加速：使用支持AES-NI指令集的CPU可以提高加密速度。
• 并行处理：在CTR模式下，可以实现并行加密和解密，提高性能。
• 缓存优化：减少内存拷贝和对象创建，优化代码性能。

12. 安全最佳实践

• 密钥轮换：定期更换密钥，减少密钥泄露的风险。
• 使用安全随机数生成器：生成密钥时使用安全的随机数生成器。
• 保护密钥：使用硬件安全模块（HSM）或密钥管理系统保护密钥。

13. 实际应用场景

• 金融行业：3DES广泛应用于金融行业的支付系统和信用卡交易中。
• 数据存储：3DES用于加密存储敏感数据，如用户密码、个人信息等。
• 通信加密：3DES用于加密通信数据，保护数据传输的安全性。

14. 结论

3DES是一种安全性较高的对称加密算法，通过对DES算法进行三次加密，大大提高了安全性。尽管3DES的加密速度较慢，但在许多安全要求较高的场景中仍然得到广泛应用。Java提供了丰富的API来实现3DES算法，开发者可以根据实际需求选择合适的加密模式和填充方式，确保数据的安全性。

本文转自https://blog.csdn.net/sinat_26368147/article/details/145414013?spm=1000.2115.3001.10524，如有侵权，请联系删除。