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。
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: