循序渐进学加密

来自:张京

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。

编码(Encoding)是把字符集中的字符编码为指定集合中某一对象(例如:比特模式、自然数序列、8位字节或者电脉冲),以便文本在计算机中存储和通过通信网络的传递的方法,常见的例子包括将拉丁字母表编码成摩尔斯电码和 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 md5sha1sha256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 DESAES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( AdvancedEncryption 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:

  1. AES加密模式:这里我们选择的是 ECBee 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。

  2. 填充:在这里我们选择 pkcs标准的 pkcs7padding

  3. 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。

  4. 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 160,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

  5. 偏移量:置空。因为是 ECB模式,不需要 iv偏移量。

  6. 输出:我们选择 base64编码方式。

  7. 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 pkcs1pkcs5pkcs7pkcs8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:

https://github.com/fengerzh/encdec

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