DES对称加密算法简析

1 对称加密算法

　　在了解DES算法前，先加单介绍一下对称加密算法，因为DES属于对称加密算法的一种。

　　对称加密算法是应用较早的加密算法，技术成熟。在对称加密算法中，数据发信方将明文（原始数据）和加密密钥（mi yao）一起经过特殊加密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去。收信方收到密文后，若想解读原文，则需要使用加密用过的密钥及相同算法的逆算法对密文进行解密，才能使其恢复成可读明文。在对称加密算法中，使用的密钥只有一个，发收信双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密，这就要求解密方事先必须知道加密密钥。

　　原理如下图：

　　

2 DES算法简介

2.1 概述

　　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，1977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），并授权在非密级政府通信中使用，随后该算法在国际上广泛流传开来。需要注意的是，在某些文献中，作为算法的DES称为数据加密算法（Data Encryption Algorithm,DEA），已与作为标准的DES区分开来。

2.2 发展历史

　　美国国家标准局1973年开始研究除国防部外的其它部门的计算机系统的数据加密标准，于1973年5月15日和1974年8月27日先后两次向公众发出了征求加密算法的公告。加密算法要达到的目的（通常称为DES 密码算法要求）主要为以下四点：

　　☆提供高质量的数据保护，防止数据未经授权的泄露和未被察觉的修改；

　　☆具有相当高的复杂性，使得破译的开销超过可能获得的利益，同时又要便于理解和掌握；

　　☆DES密码体制的安全性应该不依赖于算法的保密，其安全性仅以加密密钥的保密为基础；

　　☆实现经济，运行有效，并且适用于多种完全不同的应用。

　　1977年1月，美国政府颁布：采纳IBM公司设计的方案作为非机密数据的正式数据加密标准（DES Data Encryption Standard）。

2.3 算法原理

　　DES 使用一个 56 位的密钥以及附加的 8 位奇偶校验位，产生最大 64 位的分组大小。这是一个迭代的分组密码，使用称为 Feistel 的技术，其中将加密的文本块分成两半。使用子密钥对其中一半应用循环功能，然后将输出与另一半进行“异或”运算；接着交换这两半，这一过程会继续下去，但最后一个循环不交换。DES 使用 16 个循环，使用异或，置换，代换，移位操作四种基本运算。

　　DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。

　　Key为8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；

　　Data也为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；

　　Mode为DES的工作方式，有两种：加密或解密。

　　DES算法是这样工作的：

　　如Mode为加密，则用Key 去把数据Data进行加密， 生成Data的密码形式（64位）作为DES的输出结果；

　　如Mode为解密，则用Key去把密码形式的数据Data解密，还原为Data的明码形式（64位）作为DES的输出结果。

　　在通信网络的两端，双方约定一致的Key，在通信的源点用Key对核心数据进行DES加密，然后以密码形式在公共通信网（如电话网）中传输到通信网络的终点，数据到达目的地后，用同样的Key对密码数据进行解密，便再现了明码形式的核心数据。这样，便保证了核心数据（如PIN、MAC等）在公共通信网中传输的安全性和可靠性。

　　通过定期在通信网络的源端和目的端同时改用新的Key，便能更进一步提高数据的保密性，这正是现在金融交易网络的流行做法。

2.4 应用

　　目前在国内，随着三金工程尤其是金卡工程的启动，DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收费站等领域被广泛应用，以此来实现关键数据的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密传输，IC卡与POS间的双向认证、金融交易数据包的MAC校验等，均用到DES算法。

2.5 java代码实现

 package xin.dreaming.des;

 import java.security.SecureRandom;
 import java.util.Arrays;

 import javax.crypto.Cipher;
 import javax.crypto.SecretKey;
 import javax.crypto.SecretKeyFactory;
 import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
 import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;

 import org.junit.Test;
 /**
  *
  * @author DREAMING.XIN
  *
  */
 public class DESUtils {

     /**
      * 生成随机密钥
      *
      * @param size
      *            位数
      * @return
      */
     public static String generateRandomKey(int size) {
         StringBuilder key = new StringBuilder();
         String chars = "0123456789ABCDEF";
         for (int i = 0; i < size; i++) {
             int index = (int) (Math.random() * (chars.length() - 1));
             key.append(chars.charAt(index));
         }
         return key.toString();
     }

     /**
      * DES加密
      *
      * @param key
      *            密钥信息
      * @param content
      *            待加密信息
      * @return
      * @throws Exception
      */
     public static byte[] encodeDES(byte[] key, byte[] content) throws Exception {
         // 不是8的倍数的，补足
         if (key.length % 8 != 0) {
             int groups = key.length / 8 + (key.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
             byte[] temp = new byte[groups * 8];
             Arrays.fill(temp, (byte) 0);
             System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
             key = temp;
         }

         // 不是8的倍数的，补足
         byte[] srcBytes = content;
         if (srcBytes.length % 8 != 0) {
             int groups = content.length / 8 + (content.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
             srcBytes = new byte[groups * 8];
             Arrays.fill(srcBytes, (byte) 0);
             System.arraycopy(content, 0, srcBytes, 0, content.length);
         }

         IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(new byte[] { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 });
         SecureRandom sr = new SecureRandom();
         DESKeySpec dks = new DESKeySpec(key);
         SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
         SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(dks);
         Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/CBC/NoPadding");
         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, iv, sr);
         byte[] tgtBytes = cipher.doFinal(srcBytes);
         return tgtBytes;
     }

     /**
      * DES解密
      *
      * @param key
      *            密钥信息
      * @param content
      *            待加密信息
      * @return
      * @throws Exception
      */
     public static byte[] decodeDES(byte[] key, byte[] content) throws Exception {
         // 不是8的倍数的，补足
         if (key.length % 8 != 0) {
             int groups = key.length / 8 + (key.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
             byte[] temp = new byte[groups * 8];
             Arrays.fill(temp, (byte) 0);
             System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
             key = temp;
         }
         // 不是8的倍数的，补足
         byte[] srcBytes = content;
         if (srcBytes.length % 8 != 0) {
             int groups = content.length / 8 + (content.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
             srcBytes = new byte[groups * 8];
             Arrays.fill(srcBytes, (byte) 0);
             System.arraycopy(content, 0, srcBytes, 0, content.length);
         }

         IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(new byte[] { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 });
         SecureRandom sr = new SecureRandom();
         DESKeySpec dks = new DESKeySpec(key);
         SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
         SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(dks);
         Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/CBC/NoPadding");
         cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, iv, sr);
         byte[] tgtBytes = cipher.doFinal(content);
         return tgtBytes;
     }

     @Test
     public void desTest() throws Exception{
         //获取随机密钥
         String key = generateRandomKey(16);
         System.out.println("随机密钥："+key);
         String str = "DREAMING.XIN";
         //des加密
         byte[] encodeDES = encodeDES(key.getBytes(), str.getBytes());
         System.out.println("加密结果："+encodeDES);

         //des解密
         byte[] decodeDES = decodeDES(key.getBytes(), encodeDES);
         System.out.println("减密结果： "+new String(decodeDES));
     }

 }

执行结果：

　　随机密钥：AB09C55631425D67
　　加密结果：[B@19fc4e
　　减密结果： DREAMING.XIN

3 3DES加密算法

3.1 概述

　　3DES又称Triple DES，是DES加密算法的一种模式，它使用3条56位的密钥对数据进行三次加密。数据加密标准（DES）是美国的一种由来已久的加密标准，它使用对称密钥加密法，并于1981年被ANSI组织规范为ANSI X.3.92。DES使用56位密钥和密码块的方法，而在密码块的方法中，文本被分成64位大小的文本块然后再进行加密。比起最初的DES，3DES更为安全。

　　3DES（即Triple DES）是DES向AES过渡的加密算法（1999年，NIST将3-DES指定为过渡的加密标准），加密算法，其具体实现如下：设Ek()和Dk()代表DES算法的加密和解密过程，K代表DES算法使用的密钥，M代表明文，C代表密文，这样：

　　3DES加密过程为：C=Ek3(Dk2(Ek1(M)))

　　3DES解密过程为：M=Dk1(EK2(Dk3(C)))

3.2 java代码实现

 package xin.dreaming.des;

 import java.security.Security;
 import java.util.Arrays;

 import javax.crypto.Cipher;
 import javax.crypto.SecretKey;
 import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

 import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
 import org.junit.Test;

 public class TripleDESUtils {

     /**
      * 生成随机密钥
      *
      * @param size
      *            位数
      * @return
      */
     public static String generateRandomKey(int size) {
         StringBuilder key = new StringBuilder();
         String chars = "0123456789ABCDEF";
         for (int i = 0; i < size; i++) {
             int index = (int) (Math.random() * (chars.length() - 1));
             key.append(chars.charAt(index));
         }
         return key.toString();
     }

     /**
      * 3DES加密
      *
      * @param key
      *            密钥信息
      * @param content
      *            待加密信息
      * @return
      * @throws Exception
      */
     public static byte[] encode3DES(byte[] key, byte[] content) throws Exception {
         Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
         // 不是8的倍数的，补足
         if (key.length % 8 != 0) {
             int groups = key.length / 8 + (key.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
             byte[] temp = new byte[groups * 8];
             Arrays.fill(temp, (byte) 0);
             System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
             key = temp;
         }
         // 长度为16位，转换成24位的密钥
         if (key.length == 16) {
             byte[] temp = new byte[24];
             System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
             System.arraycopy(key, 0, temp, key.length, temp.length - key.length);
             key = temp;
         }

         // 不是8的倍数的，补足
         byte[] srcBytes = content;
         if (srcBytes.length % 8 != 0) {
             int groups = content.length / 8 + (content.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
             srcBytes = new byte[groups * 8];
             Arrays.fill(srcBytes, (byte) 0);
             System.arraycopy(content, 0, srcBytes, 0, content.length);
         }

         SecretKey deskey = new SecretKeySpec(key, "DESede");
         Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/NoPadding");
         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey);
         byte[] temp = cipher.doFinal(srcBytes);
         byte[] tgtBytes = new byte[content.length];
         System.arraycopy(temp, 0, tgtBytes, 0, tgtBytes.length);
         return tgtBytes;
     }

     /**
      * 3DES解密
      *
      * @param key
      *            密钥
      * @param content
      *            待解密信息
      * @return
      * @throws Exception
      */
     public static byte[] decode3DES(byte[] key, byte[] content) throws Exception {
         // 不是8的倍数的，补足
         if (key.length % 8 != 0) {
             int groups = key.length / 8 + (key.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
             byte[] temp = new byte[groups * 8];
             Arrays.fill(temp, (byte) 0);
             System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
             key = temp;
         }
         // 长度为16位，转换成24位的密钥
         if (key.length == 16) {
             byte[] temp = new byte[24];
             System.arraycopy(key, 0, temp, 0, key.length);
             System.arraycopy(key, 0, temp, key.length, temp.length - key.length);
             key = temp;
         }

         // 不是8的倍数的，补足
         byte[] srcBytes = content;
         if (srcBytes.length % 8 != 0) {
             int groups = content.length / 8 + (content.length % 8 != 0 ? 1 : 0);
             srcBytes = new byte[groups * 8];
             Arrays.fill(srcBytes, (byte) 0);
             System.arraycopy(content, 0, srcBytes, 0, content.length);
         }

         SecretKey deskey = new SecretKeySpec(key, "DESede");
         Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/NoPadding");
         cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey);
         byte[] tgtBytes = cipher.doFinal(srcBytes);
         return tgtBytes;
     }

     /**
      * 二进制转十六进制字符串。每一个字节转为两位十六进制字符串。
      */
     public static String byte2hex(byte[] b) {
         String hs = "";
         String stmp = "";
         for (int i = 0; i < b.length; i++) {
             stmp = Integer.toHexString(b[i] & 0XFF);
             if (stmp.length() == 1) {
                 hs = hs + "0" + stmp;
             } else {
                 hs = hs + stmp;
             }
         }
         return hs.toUpperCase();
     }

     /**
      * <b>概要：</b>
      * 十六进制转二进制
      * @param hex
      * @return
      * @throws IllegalArgumentException
      */
     public static byte[] hex2byte(String hex) throws IllegalArgumentException {
         if (hex.length() % 2 != 0) {
             throw new IllegalArgumentException();
         }
         if (hex.startsWith("0x")) {
             hex = hex.substring(2);
         }
         char[] arr = hex.toCharArray();
         byte[] b = new byte[hex.length() / 2];
         for (int i = 0, j = 0, l = hex.length(); i < l; i++, j++) {
             String swap = "" + arr[i++] + arr[i];
             int byteint = Integer.parseInt(swap, 16) & 0xFF;
             b[j] = new Integer(byteint).byteValue();
         }
         return b;
     }

     /**
      * 3DES加密模式
      */
      public static String encrypt(String value,String key) {
         try {
             SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key.getBytes(), "DESede");
             Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede");
             cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
             byte[] encryptedByte = cipher.doFinal(value.getBytes());
             String encodedByte = byte2hex(encryptedByte);
             return encodedByte;
         } catch(Exception e) {
             e.printStackTrace();
             return null;
         }
      }

      /**
       * <b>概要：</b>
       * 3DES解密
       * @param value
       * @param key
       * @return
       */
     public static String decrypt(String value,String key) {
         try {

             SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key.getBytes(), "DESede");
             Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede");
             cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
             byte[] decryptedByte = cipher.doFinal(hex2byte(value));
             return new String(decryptedByte);
         } catch(Exception e) {
             e.printStackTrace();
             return null;
         }
         }

     @Test
     public void TripleDESTest() throws Exception {

         // 获取随机密钥
         String key = generateRandomKey(24);
         System.out.println("随机密钥:" + key);
         String str = "DREAMING.XIN";
         // des加密
         String encodeDES = encrypt( str,key);
         System.out.println("3DES加密结果：" + encodeDES);

         // des解密
         String decodeDES = decrypt(encodeDES, key);
         System.out.println("减密结果： " + decodeDES);
     }
 }

运行结果：

　　

补充说明：

　1、3DES的密钥必须是24位的byte数组

　　否则会报错：如图，我生成23位密钥进行测试，报错如下：

　　

　　2、加密结果的编码方式要一致

　　从byte数组转成字符串，一般有两种方式，base64处理和十六进制处理。

　　

参考：

　　1、https://www.zhihu.com/question/36767829

　　2、https://baike.baidu.com/item/DES/210508?fr=aladdin

　　3、https://baike.baidu.com/item/对称加密算法/211953?fr=aladdin