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Android安全加密:对称加密

计算机与网络安全 2018-06-20 03:27:55

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一、凯撒密码


1、概述


凯撒密码作为一种最为古老的对称加密体制,在古罗马的时候都已经很流行,他的基本思想是:通过把字母移动一定的位数来实现加密和解密。明文中的所有字母都在字母表上向后(或向前)按照一个固定数目进行偏移后被替换成密文。例如,当偏移量是3 的时候,所有的字母A 将被替换成D,B 变成E,由此可见,位数就是凯撒密码加密和解密的密钥。


例如:字符串”ABC”的每个字符都右移3 位则变成”DEF”,解密的时候”DEF”的每个字符左移3 位即能还原,如下图所示:




2、准备知识

 //字符转换成ASCII 码数值 ? 
 char charA = 'a'; ? 
 int intA = charA; //char 强转为int 即得到对应的ASCII 码值,’a’的值为97 ? 
//ASCII 码值转成char ?
int intA = 97;//97 对应的ASCII 码’a’ ?
char charA = (char) intA; //int 值强转为char 即得到对应的ASCII 字符,即'a'



3、凯撒密码的简单代码实现

 ?/** ? 
 ? ? * 加密 ? 
 ? ? * @param input 数据源(需要加密的数据) ? 
 ? ? * @param key 秘钥,即偏移量 ? 
 ? ? * @return 返回加密后的数据 ? 
 ? ? */ ? 
 ? ?public static String encrypt(String input, int key) { ? 
 ? ? ? ?//得到字符串里的每一个字符 ? 
 ? ? ? ?char[] array = input.toCharArray(); ? 

 ? ? ? ?for (int i = 0; i < array.length; ++i) { ? 
 ? ? ? ? ? ?//字符转换成ASCII 码值 ? 
 ? ? ? ? ? ?int ascii = array[i]; ? 
 ? ? ? ? ? ?//字符偏移,例如a->b ? 
 ? ? ? ? ? ?ascii = ascii + key; ? 
 ? ? ? ? ? ?//ASCII 码值转换为char ? 
 ? ? ? ? ? ?char newChar = (char) ascii; ? 
 ? ? ? ? ? ?//替换原有字符 ? 
 ? ? ? ? ? ?array[i] = newChar; ? 

 ? ? ? ? ? ?//以上4 行代码可以简写为一行 ? 
 ? ? ? ? ? ?//array[i] = (char) (array[i] + key); ? 
 ? ? ? ?} ? 

 ? ? ? ?//字符数组转换成String ? 
 ? ? ? ?return new String(array); ? 
 ? ?} ? 

 ? ?/** ? 
 ? ? * 解密 ? 
 ? ? * @param input 数据源(被加密后的数据) ? 
 ? ? * @param key 秘钥,即偏移量 ? 
 ? ? * @return 返回解密后的数据 ? 
 ? ? */ ? 
 ? ?public static String decrypt(String input, int key) { ? 
 ? ? ? ?//得到字符串里的每一个字符 ? 
 ? ? ? ?char[] array = input.toCharArray(); ? 
 ? ? ? ?for (int i = 0; i < array.length; ++i) { ? 
 ? ? ? ? ? ?//字符转换成ASCII 码值 ? 
 ? ? ? ? ? ?int ascii = array[i]; ? 
 ? ? ? ? ? ?//恢复字符偏移,例如b->a ? 
 ? ? ? ? ? ?ascii = ascii - key; ? 
 ? ? ? ? ? ?//ASCII 码值转换为char ? 
 ? ? ? ? ? ?char newChar = (char) ascii; ? 
 ? ? ? ? ? ?//替换原有字符 ? 
 ? ? ? ? ? ?array[i] = newChar; ? 

 ? ? ? ? ? ?//以上4 行代码可以简写为一行 ? 
 ? ? ? ? ? ?//array[i] = (char) (array[i] - key); ? 
 ? ? ? ?} ? 

 ? ? ? ?//字符数组转换成String ? 
 ? ? ? ?return new String(array); ? 
 ? ?}

代码输出结果:?




4、破解凯撒密码:频率分析法


凯撒密码加密强度太低,只需要用频度分析法即可破解。?


在任何一种书面语言中,不同的字母或字母组合出现的频率各不相同。而且,对于以这种语言书写的任意一段文本,都具有大致相同的特征字母分布。比如,在英语中,字母E 出现的频率很高,而X 则出现得较少。


英语文本中典型的字母分布情况如下图所示:?




5、破解流程


  • 统计密文里出现次数最多的字符,例如出现次数最多的字符是是’h’。

  • 计算字符’h’到’e’的偏移量,值为3,则表示原文偏移了3 个位置。

  • 将密文所有字符恢复偏移3 个位置。


注意点:统计密文里出现次数最多的字符时,需多统计几个备选,因为最多的可能是空格或者其他字符,例如下图出现次数最多的字符’#’是空格加密后的字符,’h’才是’e’偏移后的值。?




解密时要多几次尝试,因为不一定出现次数最多的字符就是我们想要的目标字符,如下图,第二次解密的结果才是正确的。

 /** ? 
 * 频率分析法破解凯撒密码 ? 
 */ ? public class FrequencyAnalysis { ? 
 ? ?//英文里出现次数最多的字符 ? 
 ? ?private static final char MAGIC_CHAR = 'e'; ? 
 ? ?//破解生成的最大文件数 ? 
 ? ?private static final int DE_MAX_FILE = 4; ? 

 ? ?public static void main(String[] args) throws Exception { ? 
 ? ? ? ?//测试1,统计字符个数 ? 
 ? ? ? ?//printCharCount("article1_en.txt"); ? 

 ? ? ? ?//加密文件 ? 
 ? ? ? ?//int key = 3; ? 
 ? ? ? ?//encryptFile("article1.txt", "article1_en.txt", key); ? 

 ? ? ? ?//读取加密后的文件 ? 
 ? ? ? ?String artile = file2String("article1_en.txt"); ? 
 ? ? ? ?//解密(会生成多个备选文件) ? 
 ? ? ? ?decryptCaesarCode(artile, "article1_de.txt"); ? 
 ? ?} ? 

 ? ?public static void printCharCount(String path) throws IOException{ ? 
 ? ? ? ?String data = file2String(path); ? 
 ? ? ? ?List<>> mapList = getMaxCountChar(data); ? 
 ? ? ? ?for (Entry entry : mapList) { ? 
 ? ? ? ? ? ?//输出前几位的统计信息 ? 
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出现" + entry.getValue() + "次"); ? 
 ? ? ? ?} ? 
 ? ?} ? 

 ? ?public static void encryptFile(String srcFile, String destFile, int key) throws IOException { ? 
 ? ? ? ?String artile = file2String(srcFile); ? 
 ? ? ? ?//加密文件 ? 
 ? ? ? ?String encryptData = MyEncrypt.encrypt(artile, key); ? 
 ? ? ? ?//保存加密后的文件 ? 
 ? ? ? ?string2File(encryptData, destFile); ? 
 ? ?} ? 

 ? ?/** ? 
 ? ? * 破解凯撒密码 ? 
 ? ? * @param input 数据源 ? 
 ? ? * @return 返回解密后的数据 ? 
 ? ? */ ? 
 ? ?public static void decryptCaesarCode(String input, String destPath) { ? 
 ? ? ? ?int deCount = 0;//当前解密生成的备选文件数 ? 
 ? ? ? ?//获取出现频率最高的字符信息(出现次数越多越靠前) ? 
 ? ? ? ?List<>> mapList = getMaxCountChar(input); ? 
 ? ? ? ?for (Entry entry : mapList) { ? 
 ? ? ? ? ? ?//限制解密文件备选数 ? 
 ? ? ? ? ? ?if (deCount >= DE_MAX_FILE) { ? 
 ? ? ? ? ? ? ? ?break; ? 
 ? ? ? ? ? ?} ? 

 ? ? ? ? ? ?//输出前几位的统计信息 ? 
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出现" + entry.getValue() + "次"); ? 

 ? ? ? ? ? ?++deCount; ? 
 ? ? ? ? ? ?//出现次数最高的字符跟MAGIC_CHAR的偏移量即为秘钥 ? 
 ? ? ? ? ? ?int key = entry.getKey() - MAGIC_CHAR; ? 
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("猜测key = " + key + ", 解密生成第" + deCount + "个备选文件" + "\n"); ? 
 ? ? ? ? ? ?String decrypt = MyEncrypt.decrypt(input, key); ? 

 ? ? ? ? ? ?String fileName = "de_" + deCount + destPath; ? 
 ? ? ? ? ? ?string2File(decrypt, fileName); ? 
 ? ? ? ?} ? 
 ? ?} ? 

 ? ?//统计String里出现最多的字符 ? 
 ? ?public static List<>> getMaxCountChar(String data) { ? 
 ? ? ? ?Map map = new HashMap(); ? 
 ? ? ? ?char[] array = data.toCharArray(); ? 
 ? ? ? ?for (char c : array) { ? 
 ? ? ? ? ? ?if(!map.containsKey(c)) { ? 
 ? ? ? ? ? ? ? ?map.put(c, 1); ? 
 ? ? ? ? ? ?}else{ ? 
 ? ? ? ? ? ? ? ?Integer count = map.get(c); ? 
 ? ? ? ? ? ? ? ?map.put(c, count + 1); ? 
 ? ? ? ? ? ?} ? 
 ? ? ? ?} ? 

 ? ? ? ?//输出统计信息 ? 
 ? ? ? ?/*for (Entry entry : map.entrySet()) { ? 
 ? ? ? ? ? ?System.out.println(entry.getKey() + "出现" + entry.getValue() + ?"次"); ? 
 ? ? ? ?}*/ ? 

 ? ? ? ?//获取获取最大值 ? 
 ? ? ? ?int maxCount = 0; ? 
 ? ? ? ?for (Entry entry : map.entrySet()) { ? 
 ? ? ? ? ? ?//不统计空格 ? 
 ? ? ? ? ? ?if (/*entry.getKey() != ' ' && */entry.getValue() > maxCount) { ? ?
 ? ? ? ? ? ? ? ?maxCount = entry.getValue(); ? 
 ? ? ? ? ? ?} ? 
 ? ? ? ?} ? 

 ? ? ? ?//map转换成list便于排序 ? 
 ? ? ? ?List<>> mapList = new ArrayList<>>(map.entrySet()); ? 
 ? ? ? ?//根据字符出现次数排序 ? 
 ? ? ? ?Collections.sort(mapList, new Comparator<>>(){ ? 
 ? ? ? ? ? ?@Override ? 
 ? ? ? ? ? ?public int compare(Entry o1, ? 
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Entry o2) { ? 
 ? ? ? ? ? ? ? ?return o2.getValue().compareTo(o1.getValue()); ? 
 ? ? ? ? ? ?} ? 
 ? ? ? ?}); ? 
 ? ? ? ?return mapList; ? 
 ? ?} ? 

 ? ?public static String file2String(String path) throws IOException { ? 
 ? ? ? ?FileReader reader = new FileReader(new File(path)); ? 
 ? ? ? ?char[] buffer = new char[1024]; ? 
 ? ? ? ?int len = -1; ? 
 ? ? ? ?StringBuffer sb = new StringBuffer(); ? 
 ? ? ? ?while ((len = reader.read(buffer)) != -1) { ? 
 ? ? ? ? ? ?sb.append(buffer, 0, len); ? 
 ? ? ? ?} ? 
 ? ? ? ?return sb.toString(); ? 
 ? ?} ? 

 ? ?public static void string2File(String data, String path){ ? 
 ? ? ? ?FileWriter writer = null; ? 
 ? ? ? ?try { ? 
 ? ? ? ? ? ?writer = new FileWriter(new File(path)); ? 
 ? ? ? ? ? ?writer.write(data); ? 
 ? ? ? ?} catch (Exception e) { ? 
 ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace(); ? 
 ? ? ? ?}finally { ? 
 ? ? ? ? ? ?if (writer != null) { ? 
 ? ? ? ? ? ? ? ?try { ? 
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?writer.close(); ? 
 ? ? ? ? ? ? ? ?} catch (IOException e) { ? 
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace(); ? 
 ? ? ? ? ? ? ? ?} ? 
 ? ? ? ? ? ?} ? 
 ? ? ? ?} ? 

 ? ?} ? 
}



二、对称加密


1、概述


加密和解密都使用同一把秘钥,这种加密方法称为对称加密,也称为单密钥加密。?


简单理解为:加密解密都是同一把钥匙。?


凯撒密码就属于对称加密,他的字符偏移量即为秘钥。


2、对称加密常用算法


AES、DES、3DES、TDEA、Blowfish、RC2、RC4、RC5、IDEA、SKIPJACK 等。


DES?


全称为Data Encryption Standard,即数据加密标准,是一种使用密钥加密的块算法,1976 年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准(FIPS),随后在国际上广泛流传开来。


3DES?


也叫Triple DES,是三重数据加密算法(TDEA,Triple Data Encryption Algorithm)块密码的通称。?


它相当于是对每个数据块应用三次DES 加密算法。由于计算机运算能力的增强,原版DES 密码的密钥长度变得容易被暴力破解;3DES 即是设计用来提供一种相对简单的方法,即通过增加DES 的密钥长度来避免类似的攻击,而不是设计一种全新的块密码算法。


AES?


高级加密标准(英语:Advanced Encryption Standard,缩写:AES),在密码学中又称Rijndael 加密法,是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES,已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程,高级加密标准由美国国家标准与技术研究院(NIST)于2001 年11 月26 日发布于FIPS PUB 197,并在2002 年5 月26 日成为有效的标准。2006 年,高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。


3、DES 算法简介


DES 加密原理(对比特位进行操作,交换位置,异或等等,无需详细了解)

准备知识


Bit 是计算机最小的传输单位。以0 或1 来表示比特位的值?


例如数字3 对应的二进制数据为:00000011


代码示例

int i = 97; ? 
 String bit = Integer.toBinaryString(i); ? 
 //输出:97 对应的二进制数据为: 1100001 ? 
 System.out.println(i + "对应的二进制数据为: " + bit);

Byte 与Bit 区别


数据存储是以“字节”(Byte)为单位,数据传输是以大多是以“位”(bit,又名“比特”)为单位,一个位就代表一个0 或1(即二进制),每8 个位(bit,简写为b)组成一个字节(Byte,简写为B),是最小一级的信息单位。


Byte 的取值范围:

//byte 的取值范围:-128 到127 ? 
System.out.println(Byte.MIN_VALUE + "到" + Byte.MAX_VALUE);

即10000000 到01111111 之间,一个字节占8 个比特位


二进制转十进制图示:?




任何字符串都可以转换为字节数组

String data = "1234abcd";
byte[] bytes = data.getBytes();//内容为:49 50 51 52 97 98 99 100

上面数据49 50 51 52 97 98 99 100 对应的二进制数据(即比特位为):?


00110001?
00110010?
00110011?
00110100?
01100001?
01100010?
01100011?
01100100


将他们间距调大一点,可看做一个矩阵:?




之后可对他们进行各种操作,例如交换位置、分割、异或运算等,常见的加密方式就是这样操作比特位的,例如下图的IP 置换以及S-Box?操作都是常见加密的一些方式:


IP 置换:?




S-BOX 置换:?



DES 加密过程图解(流程很复杂,只需要知道内部是操作比特位即可):




对称加密应用场景


  • 本地数据加密(例如加密android 里SharedPreferences 里面的某些敏感数据)

  • 网络传输:登录接口post 请求参数加密{username=lisi,pwd=oJYa4i9VASRoxVLh75wPCg==}

  • 加密用户登录结果信息并序列化到本地磁盘(将user 对象序列化到本地磁盘,下次登录时反序列化到内存里)

  • 网页交互数据加密(即后面学到的Https)


DES 算法代码实现

//1,得到cipher 对象(可翻译为密码器或密码系统) ? 
 Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES"); ? 
 //2,创建秘钥 ? 
 SecretKey key = KeyGenerator.getInstance("DES").generateKey(); ? ?//3,设置操作模式(加密/解密) ? 
 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key); ? 
 //4,执行操作 ? 
 byte[] result = cipher.doFinal("黑马".getBytes());

AES 算法代码实现


用法同上,只需把”DES”参数换成”AES”即可。

使用Base64 编码加密后的结果

byte[] result = cipher.doFinal("黑马".getBytes()); ? 
System.out.println(new String(result));

输出结果:



加密后的结果是字节数组,这些被加密后的字节在码表(例如UTF-8 码表)上找不到对应字符,会出现乱码,当乱码字符串再次转换为字节数组时,长度会变化,导致解密失败,所以转换后的数据是不安全的。


使用Base64 对字节数组进行编码,任何字节都能映射成对应的Base64 字符,之后能恢复到字节数组,利于加密后数据的保存于传输,所以转换是安全的。同样,字节数组转换成16 进制字符串也是安全的。


密文转换成Base64 编码后的输出结果:?


密文转换成16 进制编码后的输出结果:?



Java?里没有直接提供Base64 以及字节数组转16 进制的Api,开发中一般是自己手写或直接使用第三方提供的成熟稳定的工具类(例如apache 的commons-codec)。


Base64 字符映射表?



对称加密的具体应用方式


1、生成秘钥并保存到硬盘上,以后读取该秘钥进行加密解密操作,实际开发中用得比较少

//生成随机秘钥 ? 
SecretKey secretKey = KeyGenerator.getInstance("AES").generateKey(); ? //序列化秘钥到磁盘上 ?
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("heima.key")); ? ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos); ? oos.writeObject(secretKey); ? //从磁盘里读取秘钥 ?
FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("heima.key")); ? ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis); ? Key key = (Key) ois.readObject();

2、使用自定义秘钥(秘钥写在代码里)

//创建密钥写法1 ? 
KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes()); ? SecretKey secretKey = SecretKeyFactory.getInstance(ALGORITHM). ? generateSecret(keySpec); ? //创建密钥写法2 ?
//SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key.getBytes(), KEY_ALGORITHM); ?
Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM); ? cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey); ? //得到key 后,后续代码就是Cipher 的写法,此处省略...

注意事项


把秘钥写在代码里有一定风险,当别人反编译代码的时候,可能会看到秘钥,Android?开发里建议用JNI 把秘钥值写到C 代码里,甚至拆分成几份,最后再组合成真正的秘钥


算法/工作模式/填充模式


初始化cipher 对象时,参数可以直接传算法名:例如:

Cipher c = Cipher.getInstance("DES");

也可以指定更详细的参数,格式:”algorithm/mode/padding” ,即”算法/工作模式/填充模式”

Cipher c = Cipher.getInstance("DES/CBC/PKCS5Padding");

密码块工作模式


块密码工作模式(Block cipher mode of operation),是对于按块处理密码的加密方式的一种扩充,不仅仅适用于AES,包括DES, RSA 等加密方法同样适用。




填充模式


填充(Padding),是对需要按块处理的数据,当数据长度不符合块处理需求时,按照一定方法填充满块长的一种规则。




具体代码:

//秘钥算法 ? 
private static final String KEY_ALGORITHM = "DES"; ? //加密算法:algorithm/mode/padding 算法/工作模式/填充模式 ?
private static final String CIPHER_ALGORITHM = "DES/ECB/PKCS5Padding"; ? //秘钥 ?
private static final String KEY = "12345678";//DES 秘钥长度必须是8 位或以上 ?
//private static final String KEY = "1234567890123456";//AES 秘钥长度必须是16 位 ?
//初始化秘钥 ?
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(KEY.getBytes(), KEY_ALGORITHM); ? Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM); ? //加密 ?
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey); ? byte[] result = cipher.doFinal(input.getBytes());

注意:AES、DES 在CBC 操作模式下需要iv 参数

//AES、DES 在CBC 操作模式下需要iv 参数 ? 
IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(key.getBytes()); ? //加密 ?
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, iv);

三、总结


DES 安全度在现代已经不够高,后来又出现的3DES 算法强度提高了很多,但是其执行效率低下,AES算法加密强度大,执行效率高,使用简单,实际开发中建议选择AES 算法。实际android 开发中可以用对称加密(例如选择AES 算法)来解决很多问题,例如:


  • 做一个管理密码的app,我们在不同的网站里使用不同账号密码,很难记住,想做个app 统一管理,但是账号密码保存在手机里,一旦丢失了容易造成安全隐患,所以需要一种加密算法,将账号密码信息加密起来保管,这时候如果使用对称加密算法,将数据进行加密,秘钥我们自己记在心里,只需要记住一个密码。需要的时候可以还原信息。

  • android 里需要把一些敏感数据保存到SharedPrefrence 里的时候,也可以使用对称加密,这样可以在需要的时候还原。

  • 请求网络接口的时候,我们需要上传一些敏感数据,同样也可以使用对称加密,服务端使用同样的算法就可以解密。或者服务端需要给客户端传递数据,同样也可以先加密,然后客户端使用同样算法解密。


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