数据安全系列5：常用的对称算法浅析

常用的算法介绍

常用的算法JAVA实现

jce及其它开源包介绍、对比

传送门

数据安全系列1：开篇

数据安全系列2：单向散列函数概念

数据安全系列3：密码技术概述

数据安全系列4：密码技术的应用-接口调用的身份识别

时代有浪潮，就有退去的时候

在我的博客文章里面，其中绝大多数都是专注于技术探讨，间或一些设计或项目管理的分享。极少有关于个人看法、感悟之类。不过在上一篇数据安全系列3：密码技术概述里面谈到了如何应对工作的压力：

打工的终极目标是跳槽或者变成合伙人

 所以这里就想再写几句，权当"吐槽"几句！

这是最好的时代，也是最坏的时代

“这是最好的时代，也是最坏的时代”，英国文学家狄更斯曾这样描述工业革命发生后的世界。这句话放在现在亦不为过，彼时彼刻恰如此时此刻！记得14年住在杭州出租屋的时候，偶然看到同学买的《浪潮之巅》被序里面的几句话所吸引：

因为，虽然对于一个公司来讲，赶上一次浪潮不能保证它长盛不衰；但是，对于一个人来讲，一生赶上这样一次浪潮就足够了。对于一个弄潮的年轻人来讲，最幸运的莫过于赶上一波大潮。

--------引自《浪潮之巅》

里面的内容：微软、google、IBM这些超一流公司的前世今生介绍；浏览器大战，客厅争夺、微机之争商战风起云涌；还有对于投资银行、华尔街、硅谷的角色解读；关于亚太地区，尤其是阿里巴巴的精准预测，深深打动了当时那个年轻人，迷茫又坚定的投入了软件开发行业！在后续的几年中也确实赶上了移动互联网这个浪潮。

近一百多年来，总有一些公司很幸运地、有意识或者无意识地站在技术革命的浪尖之上。
一旦处在了那个位置，即使不做任何事，也可以随着波浪顺顺当当地向前漂个十年甚至更长
的时间。在这十几年间，它们代表着科技的浪潮，直到下一波浪潮的来临。

--------也引自《浪潮之巅》

诚如作者所说，浪潮袭来整个行业生机勃勃、浪尖之上一切看起来皆有可为。但是浪潮退祛之后到底是继续繁荣、还是平稳衰退作者却并为给出预测。甚至哀鸿遍野都殊为可知，而且一切并非妄语！做为身在其中的从业者感受更是提前感受到了"寒冬"

经济的冲击

俗话说“春江水暖鸭告知”。首当其冲的是大家普遍会觉得找工作变难了，大家也不敢随便跳槽了：

• 很多公司都开始裁员了，无论是所谓的老牌BAT、新晋的PATB这些互联网；还是国企所属
• 很多公司都严查考勤了，包括宣称"不打卡"的互联网；也开始到期不续约了，变相裁员
• 更重要的是降薪，不论是砍福利、通过绩效手段劝退、还是整体降薪

而这一切其实最终都是经济这只大手带来的影响，企业打响了"降本增效"的大旗，砍向了里面的每一个人。被迫离开的人有的找工作时间普遍变长了，GAP几个月屡见不鲜；还有的人可能就真的彻底告别这个行业了，离职=失业不再是一句自我调侃。

一个在阿里呆了5年的同事，怀着"闯一番"的念头主动离职，加入了做在线教育的创业公司，没过多久由于众所周知的原因失业了，从此在本地再也找不到合适的工作，最后异地去了苏州上班。

AI的冲击

除了外部环境冲击，行业内也在悄然起了变化。这2年AI的兴起其实对IT行业也有影响，这点不得不承认。比如我感觉AI对话的很多问题，就算是计算机专业领域，也回答的非常合理甚至更为全面（请放心这里不是打广告也不卖课...）。等哪一天AI真的能写业务逻辑，那就是真正的程序员革命，公司也不需要招这么多程序员了，这与前2年挂羊头狗肉的低代码有本质区别，意味着AI可能真的要来临了！

山重水复疑无路，柳暗花明又一村

十年前我刚加入这一行的时候，就听过35岁危机，当时大家对这种观点更多的是一种自嘲。时过境迁再回首人已中年。不过借用一句古话，天塌下来还有高个子顶着，就不要再散播焦虑，让我们言归正传，看看常用的密码算法吧

密码学家的工具箱

章节名称的由来

前面推荐了作为一本入门书的《图解密码技术_百度百科 》，里面提出了密码学家的工具箱这个说法，也通过讨论得到了下面这个图：

常见的密码算法

有一点要明确下来的就是所讨论的加密算法最终目的，是为了解决信息安全所面临的问题：

机密性

我们为了保证信息的机密性，也就是不让别人看到信息或者看到了也"看不懂"所以引入了加密的这种方法，而出于安全性与性能的区别，又有很多不同的加密算法。其中最常见的就是对称加密！

对称加密算法

对称加密基本概念

对称加密是指加密和解密使用相同密钥的加密算法。发送方使用密钥将明文加密成密文，接收方使用相同的密钥将密文解密回明文。对称加密算法通常计算效率高，适合大量数据的加密。

加密过程

解密过程

DES

先来看看DES算法：

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。

----------------------引自百度百科DES

它出现的时期比较早，由于现在计算机技术的发展已不再推荐使用，因为可以被暴力破解了。它的加密过程如下：

图片来源《 图解密码技术_百度百科 》

 看一个用JAVA生成的例子：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class DESExample {
    private static final String ALGORITHM = "DES";
    
    public static String encrypt(String key, String value) throws Exception {
        // DES需要8字节的密钥
        if (key.length() < 8) {
            throw new IllegalArgumentException("Key must be at least 8 characters for DES");
        }
        
        SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(key.substring(0, 8).getBytes("UTF-8"), ALGORITHM);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(value.getBytes());
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }
    
    public static String decrypt(String key, String encryptedValue) throws Exception {
        SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(key.substring(0, 8).getBytes("UTF-8"), ALGORITHM);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
        byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedValue);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(decodedBytes);
        return new String(decryptedBytes);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        try {
            String key = "mySecret"; // 8字节的密钥
            String original = "Hello, World!";
            
            String encrypted = encrypt(key, original);
            System.out.println("Encrypted: " + encrypted);
            
            String decrypted = decrypt(key, encrypted);
            System.out.println("Decrypted: " + decrypted);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

上面的示例代码可以完整的展现DES的加解密过程，但是要强调几点：

• DES 已被 NIST 淘汰（2005 年），切勿用于新项目
• 密钥为什么需要 8 字节？DES 算法要求密钥必须是 8 字节（64 位）（实际有效密钥为 56 位，8 位用于奇偶校验）

3DES

接着看看看看3DES算法：

3DES（即Triple DES）是DES向AES过渡的加密算法，它使用3条56位的密钥对数据进行三次加密。是DES的一个更安全的变形。它以DES为基本模块，通过组合分组方法设计出分组加密算法。比起最初的DES，3DES更为安全。

现在由于DES已经可以在限时的时间内破解，因此三重DES就是开发出来替代DES的一种分组密码。它的加密过程如下：

图片来源《 图解密码技术_百度百科 》

看一个用JAVA生成的例子： 

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class TripleDESExample {
    private static final String ALGORITHM = "DESede";
    
    public static String encrypt(String key, String value) throws Exception {
        // 3DES需要24字节的密钥
        if (key.length() < 24) {
            throw new IllegalArgumentException("Key must be at least 24 characters for 3DES");
        }
        
        SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(key.substring(0, 24).getBytes("UTF-8"), ALGORITHM);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(value.getBytes());
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }
    
    public static String decrypt(String key, String encryptedValue) throws Exception {
        SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(key.substring(0, 24).getBytes("UTF-8"), ALGORITHM);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
        byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedValue);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(decodedBytes);
        return new String(decryptedBytes);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        try {
            String key = "mySecretKey12345678901234"; // 24字节的密钥
            String original = "Hello, World!";
            
            String encrypted = encrypt(key, original);
            System.out.println("Encrypted: " + encrypted);
            
            String decrypted = decrypt(key, encrypted);
            System.out.println("Decrypted: " + decrypted);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

AES

接着看看AES算法：

密码学中的高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES），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（Data Encryption Standard），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

 ----------------------引自百度百科AES

由于AES的设计目标就是要解决DES的安全性的问题，所以在没有特殊的要求场景（比如旧程序兼容性问题）都建议使用AES。它的加密过程如下：

图解密码技术_百度百科

看一个用JAVA生成的例子： 

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;

public class AESUtil {
    private static final String ALGORITHM = "AES";
    private static final String TRANSFORMATION = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    private static final int IV_SIZE = 16; // 128位IV
    
    /**
     * AES加密（使用CBC模式）
     */
    public static String encrypt(String key, String value) throws Exception {
        // 生成随机IV
        byte[] iv = new byte[IV_SIZE];
        new SecureRandom().nextBytes(iv);
        
        SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(
            key.getBytes("UTF-8"), ALGORITHM);
        IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);
        
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, ivSpec);
        
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(value.getBytes());
        
        // 将IV和加密数据合并
        byte[] encryptedIVAndText = new byte[iv.length + encrypted.length];
        System.arraycopy(iv, 0, encryptedIVAndText, 0, iv.length);
        System.arraycopy(encrypted, 0, encryptedIVAndText, iv.length, encrypted.length);
        
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedIVAndText);
    }
    
    /**
     * AES解密
     */
    public static String decrypt(String key, String encryptedValue) throws Exception {
        byte[] ivAndEncrypted = Base64.getDecoder().decode(encryptedValue);
        
        // 提取IV
        byte[] iv = new byte[IV_SIZE];
        System.arraycopy(ivAndEncrypted, 0, iv, 0, iv.length);
        
        // 提取加密数据
        byte[] encrypted = new byte[ivAndEncrypted.length - IV_SIZE];
        System.arraycopy(ivAndEncrypted, IV_SIZE, encrypted, 0, encrypted.length);
        
        SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(
            key.getBytes("UTF-8"), ALGORITHM);
        IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);
        
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, ivSpec);
        
        byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
        return new String(decrypted);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        try {
            String key = "MySecretKey12345"; // 16字节用于AES-128
            String original = "敏感数据需要加密";
            
            String encrypted = encrypt(key, original);
            System.out.println("加密结果: " + encrypted);
            
            String decrypted = decrypt(key, encrypted);
            System.out.println("解密结果: " + decrypted);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

SM4

SM4（原名SMS4）是中国国家密码管理局发布的商用密码算法标准（GB/T 37033-2018），属于对称分组密码算法。其分组长度和密钥长度均为128位，与AES（Advanced Encryption Standard）类似，但属于中国自主知识产权的加密算法。以下是SM4的基本原理及Java实现的详细说明。

SM4属于国密范畴，它有其自身的特点，尤其是在信创的大背景下，使得它的应用会越来越广泛：

一、SM4算法概述

1. 分组长度：128位（16字节）
2. 密钥长度：128位（16字节）
3. 加密轮数：32轮
4. 工作模式：支持ECB（电子密码本）、CBC（密码块链接）、CFB（反馈模式）、OFB（输出反馈模式）等。
5. 应用场景：适用于需要国密合规的场景，如金融、政务、物联网等。

Java标准库（JCE）默认不支持SM4，需通过第三方库（如 Bouncy Castle）实现。

<dependency>
    <groupId>org.bouncycastle</groupId>
    <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
    <version>1.70</version> <!-- 使用最新版本 -->
</dependency>

看一个用JAVA生成的例子： 

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.Security;

public class SM4Example {
    static {
        // 注册Bouncy Castle提供者
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    }

    // SM4加密
    public static byte[] encrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
        SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, "SM4");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("SM4/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    // SM4解密
    public static byte[] decrypt(byte[] cipherText, byte[] key) throws Exception {
        SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, "SM4");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("SM4/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
        return cipher.doFinal(cipherText);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String plainText = "Hello, SM4!";
        byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes(); // 16字节密钥

        // 加密
        byte[] encrypted = encrypt(plainText.getBytes(), key);
        System.out.println("加密结果（Base64）: " + java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));

        // 解密
        byte[] decrypted = decrypt(encrypted, key);
        System.out.println("解密结果: " + new String(decrypted));
    }
}

分析对比

上面介绍了几种常用、主流的算法，下面表格列出了相应的特点：

算法	密钥长度	块大小	状态	特点
DES	56位	64位	已淘汰	早期标准，易被暴力破解
3DES	112/168位	64位	逐渐淘汰	DES的三重应用，安全性提高但效率低
AES	128/192/256位	128位	推荐使用	目前最广泛使用的标准，安全高效
SM4	128位	128位	推荐使用	适用于需要国密合规的场景，如金融、政务等

除此以外还一些不是很常用的算法：

Blowfish	32-448位	64位	可用	速度快，但块大小较小
RC4	40-2048位	流密码	不推荐	曾广泛使用，现发现多处漏洞

这里就不展开了，有兴趣的可以直接链接查看。

还有一个值得关注的算法是Gooble开发的ChaCha20：

ChaCha20-Poly1305是Google所采用的一种新式加密算法，性能强大，在CPU为精简指令集的ARM平台上尤为显著（ARM v8前效果较明显），在同等配置的手机中表现是AES的4倍（ARM v8之后加入了AES指令，所以在这些平台上的设备，AES方式反而比chacha20-Poly1305方式更快，性能更好），可减少加密解密所产生的数据量进而可以改善用户体验，减少等待时间，节省电池寿命等。

ChaCha20-Poly1305是由ChaCha20流密码和Poly1305消息认证码（MAC）结合的一种应用在互联网安全协议中的认证加密算法，由Google公司率先在Andriod移动平台中的Chrome中代替RC4使用。

由于其算法精简、安全性强、兼容性强等特点，目前Google致力于全面将其在移动端推广

模式介绍

从上面的对比讨论可以看出，现在推荐的加密算法要么是AES、要么是SM4这两种。它们的代码也极其类似：

// AES
private static final String ALGORITHM = "AES";
    private static final String TRANSFORMATION = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    private static final int IV_SIZE = 16; // 128位IV

SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key.getBytes("UTF-8"), ALGORITHM);
        IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, ivSpec);

// SM4
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, "SM4");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("SM4/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);

这里的格式：AES/CBC/PKCS5Padding是指定算法的参数格式，表示为

算法/工作模式/填充模式

工作模式

图片来源《 图解密码技术_百度百科 》

这里列个表格来对比看看：

模式	全称	特点	安全性	推荐使用
ECB	Electronic Codebook	相同明文→相同密文	❌ 极不安全	绝不使用
CBC	Cipher Block Chaining	需要IV，错误传播	⚠️ 需谨慎实现	传统系统可用
CTR	Counter	类似流密码，可并行	✅ 良好	适合流式处理
GCM	Galois/Counter Mode	认证加密，带完整性	✅ 最佳	现代系统首选

写在最后

关于数据安全虽然整理了好几篇文章。不过说实话，我觉得对于算法还是没有入门，最多是使用上初窥门径（尝试看了一下算法源码，就是看不懂。。。），所以建议大家有兴趣还是先看看作为一本入门书的《图解密码技术_百度百科 》虽然看了第2遍了，还是常看常新！

至于非对称算法，我们下篇文章再来仔细讨论

附录：JCA与JCE关系

 因为它们底层都是使用的同一个加密算法框架Java Cryptography Architecture (JCA) ：

JCA是Java平台的加密体系基础架构，它是一个框架性设计而非具体实现：

• 本质：一套服务提供者接口(SPI)和应用程序接口(API)的集合
• 核心包：java.security、java.security.cert、java.security.interfaces
• 设计目标：
  • 提供统一的加密服务访问方式
  • 支持算法独立性（应用程序不依赖特定算法）
  • 支持Provider机制（可插拔的加密实现）
  • 遵循"一次编写，到处运行"的Java原则

而它对应的代码就在jce.jar包里面，是对jca的扩展：

JCE是JCA的官方扩展，专注于提供对称加密、非对称加密和密钥协商功能：

• 本质：JCA框架的扩展规范
• 核心包：javax.crypto、javax.crypto.interfaces、javax.crypto.spec
• 关键类：Cipher、KeyGenerator、SecretKeyFactory、Mac

3. jce.jar

jce.jar是JCE规范的具体实现文件：

• 位置：$JAVA_HOME/jre/lib/jce.jar
• 内容：SunJCE Provider的实现代码
• 作用：提供JCE API的具体算法实现
• 历史：最初是独立下载的扩展包，现已成为标准JDK的一部分

详细关系解析

JCA是基础架构，JCE是其扩展

• JCA：提供基础加密服务框架，包括：

  • 消息摘要（MD5, SHA）
  • 数字签名（DSA, RSA）
  • 密钥生成（KeyPairGenerator）
  • 安全随机数生成（SecureRandom）

• JCE：在JCA基础上扩展了：

  • 对称加密（AES, DES, 3DES）
  • 非对称加密（RSA加密/解密）
  • 密钥协商（Diffie-Hellman）
  • 消息认证码（HMAC）

关键区别：JCA主要关注"验证"（如数字签名），而JCE关注"保密"（如数据加密）