作者：張京
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還記得上初二的那年夏天，班里來(lái)了一個(gè)新同學(xué)，他就住在我家對(duì)面的樓里，于是我們一起上學(xué)放學(xué)，很快便成了最要好的朋友。我們決定發(fā)明一套神秘的溝通方式，任何人看到都不可能猜到它的真實(shí)含義。我們第一個(gè)想到的就是漢語(yǔ)拼音，但很顯然光把一個(gè)句子變成漢語(yǔ)拼音是不夠的，于是我們把26個(gè)英文字母用簡(jiǎn)譜的方式從低音到高音排起來(lái)，就得到了一個(gè)簡(jiǎn)單的密碼本：

把“ 我們都是好朋友”用這個(gè)密碼本變換之后就得到了這樣的結(jié)果：

小時(shí)候玩這個(gè)游戲樂(lè)此不疲，覺(jué)得非常有趣。上大學(xué)后，有幸聽(tīng)盧開(kāi)澄教授講《計(jì)算機(jī)密碼學(xué)》，才知道原來(lái)我們小時(shí)候玩的這個(gè)游戲遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能稱(chēng)之為加密。那么到底什么是加密呢？

什么是加密？

把字符串 123456經(jīng)過(guò) base64變換之后，得到了 MTIzNDU2，有人說(shuō)這是 base64加密。

把字符串 123456經(jīng)過(guò) md5變換之后，得到了 E10ADC3949BA59ABBE56E057F20F883E，有人說(shuō)這是 md5加密。

從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，不管是 base64還是 md5甚至更復(fù)雜一些的 sha256都不能稱(chēng)之為加密。

一句話，沒(méi)有密鑰的算法都不能叫加密。

編碼（Encoding）是把字符集中的字符編碼為指定集合中某一對(duì)象（例如：比特模式、自然數(shù)序列、8位字節(jié)或者電脈沖），以便文本在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)和通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)的傳遞的方法，常見(jiàn)的例子包括將拉丁字母表編碼成摩爾斯電碼和 ASCII。 base64只是一種編碼方式。

雜湊（Hashing）是電腦科學(xué)中一種對(duì)資料的處理方法，通過(guò)某種特定的函數(shù)/算法（稱(chēng)為雜湊函數(shù)/算法）將要檢索的項(xiàng)與用來(lái)檢索的索引（稱(chēng)為雜湊，或者雜湊值）關(guān)聯(lián)起來(lái)，生成一種便于搜索的資料結(jié)構(gòu)（稱(chēng)為雜湊表）。雜湊算法常被用來(lái)保護(hù)存在資料庫(kù)中的密碼字符串，由于雜湊算法所計(jì)算出來(lái)的雜湊值具有不可逆（無(wú)法逆向演算回原本的數(shù)值）的性質(zhì)，因此可有效的保護(hù)密碼。常用的雜湊算法包括 md5, sha1, sha256等。

加密（Encryption）是將明文信息改變?yōu)殡y以讀取的密文內(nèi)容，使之不可讀的過(guò)程。只有擁有解密方法的對(duì)象，經(jīng)由解密過(guò)程，才能將密文還原為正?？勺x的內(nèi)容。加密分為對(duì)稱(chēng)加密和非對(duì)稱(chēng)加密，對(duì)稱(chēng)加密的常用算法包括 DES, AES等，非對(duì)稱(chēng)加密算法包括 RSA，橢圓曲線算法等。

在古典加密算法當(dāng)中，加密算法和密鑰都是不能公開(kāi)的，一旦泄露就有被破解的風(fēng)險(xiǎn)，我們可以用詞頻推算等方法獲知明文。 1972年美國(guó) IBM公司研制的 DES算法( Data Encryption Standard)是人類(lèi)歷史上第一個(gè)公開(kāi)加密算法但不公開(kāi)密鑰的加密方法，后來(lái)成為美國(guó)軍方和政府機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)加密算法。 2002年升級(jí)成為 AES算法( AdvancedEncryption Standard)，我們今天就從 AES開(kāi)始入手學(xué)習(xí)加密和解密。

準(zhǔn)備工具

通常情況下，加解密都只需要在服務(wù)端完成就夠了，這也是網(wǎng)上大多數(shù)教程和樣例代碼的情況，但在某種特殊情況下，你需要用一種語(yǔ)言加密而用另一種語(yǔ)言解密的時(shí)候，最好有一個(gè)中立的公正的第三方結(jié)果集來(lái)驗(yàn)證你的加密結(jié)果，否則一旦出錯(cuò)，你都不知道是加密算法出錯(cuò)了，還是解密算法出錯(cuò)了，對(duì)此我們是有慘痛教訓(xùn)的，特別是如果一個(gè)公司里，寫(xiě)加密的是前端，用的是 js語(yǔ)言，而寫(xiě)解密的是后端，用的是 java語(yǔ)言或者 php語(yǔ)言或者 go語(yǔ)言，則雙方更需要有這樣一個(gè)客觀公正的平臺(tái)，否則你們之間必然會(huì)陷入永無(wú)休止的互相指責(zé)的境地，前端說(shuō)自己沒(méi)有錯(cuò)，是后端解密解錯(cuò)了，后端說(shuō)解密沒(méi)有錯(cuò)，是前端加密寫(xiě)錯(cuò)了，而事實(shí)上是雙方都是菜鳥(niǎo)，對(duì)密碼學(xué)一知半解，在這種情況下浪費(fèi)的時(shí)間就更多。

在線AES加密解密就是這樣的一個(gè)工具網(wǎng)站，你可以在上面驗(yàn)證你的加密結(jié)果，如果你加密得到的結(jié)果和它的結(jié)果完全一致，就說(shuō)明你的加密算法沒(méi)有問(wèn)題，否則你就去調(diào)整，直到和它的結(jié)果完全一致為止。反之亦然，如果它能從一個(gè)密文解密解出來(lái)，而你的代碼解不出來(lái)，那么一定是你的算法有問(wèn)題，而不可能是數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

我們先在這個(gè)網(wǎng)站上對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的字符串 123456進(jìn)行加密。

下面我們對(duì)網(wǎng)站上的所有選項(xiàng)逐個(gè)解釋一下：

1. AES加密模式：這里我們選擇的是 ECB( ee cc block)模式。這是 AES所有模式中最簡(jiǎn)單也是最不被人推薦的一種模式，因?yàn)樗墓潭ǖ拿魑膶?duì)應(yīng)的是固定的密文，很容易被破解。但是既然是練習(xí)的話，就讓我們先從最簡(jiǎn)單的開(kāi)始。

2. 填充：在這里我們選擇 pkcs標(biāo)準(zhǔn)的 pkcs7padding。

3. 數(shù)據(jù)塊：我們選擇 128位，因?yàn)?nbsp;java端解密算法目前只支持 AES128，所以我們先從 128位開(kāi)始。

4. 密鑰：因?yàn)槲覀兦懊孢x擇了 128位的數(shù)據(jù)塊，所以這里我們用 128 / 8 = 16個(gè)字節(jié)來(lái)處理，我們先簡(jiǎn)單地填入 16個(gè)0，其實(shí)你也可以填寫(xiě)任意字符，比如 abcdefg1234567ab或者其它，只要是 16個(gè)字節(jié)即可。理論上來(lái)說(shuō)，不是16個(gè)字節(jié)也可以用來(lái)當(dāng)密鑰，優(yōu)秀的算法會(huì)自動(dòng)補(bǔ)齊，但是為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們先填入 16個(gè) 0。

5. 偏移量：置空。因?yàn)槭?nbsp;ECB模式，不需要 iv偏移量。

6. 輸出：我們選擇 base64編碼方式。

7. 字符集：這里因?yàn)槲覀冎患用苡⑽淖帜负桶⒗當(dāng)?shù)字，所以選擇 utf-8和 gb2312都是一樣的。

好了，現(xiàn)在我們知道按照以上選項(xiàng)設(shè)置好之后的代碼如果加密 123456的話，應(yīng)該輸出 DoxDHHOjfol/2WxpaXAXgQ==，如果不是這個(gè)結(jié)果，那就是加密端的問(wèn)題。

AES-ECB

AES-ECB的Javascript加密

為了完成 AES加密，我們并不需要自己手寫(xiě)一個(gè) AES算法，不需要去重復(fù)造輪子。但如何選擇 js的加密庫(kù)是個(gè)很有意思的挑戰(zhàn)。我們嘗試了很多方法，一開(kāi)始我們嘗試了aes-js這個(gè)庫(kù)，但它不支持 RSA算法，后來(lái)我們看到Web Crypto API這種瀏覽器自帶的加密庫(kù)，原生支持 AES和 RSA，但它的 RSA實(shí)現(xiàn)和 Java不兼容，最終我們還是選擇了Forge這個(gè)庫(kù)，它天生支持 AES的各種子集，并且它的 RSA也能和 Java完美配合。

使用 forge編寫(xiě)的 js代碼實(shí)現(xiàn) AES-ECB加密的代碼就是下面這些：

const cipher = forge.cipher.createCipher('AES-ECB', '這里是16字節(jié)密鑰');
cipher.start();
cipher.update(forge.util.createBuffer('這里是明文'));
cipher.finish();
const result = forge.util.encode64(cipher.output.getBytes())

forge的 AES缺省就是 pkcs7padding，所以不用特別設(shè)置。運(yùn)行它之后你就會(huì)得到正確的加密結(jié)果。

AES-ECB的Java解密

接下來(lái)我們看看Java端的解密代碼該如何寫(xiě)：

try {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance('AES/ECB/PKCS5Padding');
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec('這里是16字節(jié)密鑰'.getBytes(), 'AES'));
    String plaintext = new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode('這里是明文'.getBytes())), 'UTF-8');
    System.out.println(plaintext);
} catch (Exception e) {
    System.out.println('解密出錯(cuò)：' + e.toString());
}

注意這里我們用到的是 PKCS5Padding，上面加密的時(shí)候不是用的是 pkcs7padding嗎？怎么這里變成 5了呢？

我們先來(lái)了解一下什么是 pkcs。 pkcs的全稱(chēng)是 Public Key Cryptography Standards（公鑰加密標(biāo)準(zhǔn)），這是 RSA實(shí)驗(yàn)室制定的一系列的公鑰密碼編譯標(biāo)準(zhǔn)，比較著名的有 pkcs1, pkcs5, pkcs7, pkcs8這四個(gè)，它們分別管理的是不同的內(nèi)容。在這里我們只是用它來(lái)填充，所以我們只關(guān)注 pkcs5和 pkcs7就夠了。那么 pkcs5和 pkcs7有什么區(qū)別呢？其實(shí)在填充方面它們兩個(gè)的算法是一樣的， pkcs5是 pkcs7的一個(gè)子集，區(qū)別在于 pkcs5是 8字節(jié)固定的，而 pkcs7可以是 1到 255之間的任意字節(jié)。但用在 AES算法上，因?yàn)?nbsp;AES標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定塊大小必須是 16字節(jié)或者 24字節(jié)或者 32字節(jié)，不可能用 pkcs5的 8字節(jié)，所以 AES算法只能用 pkcs7填充。但是由于 java早期工程師犯的一個(gè)命名上的錯(cuò)誤，他們把 AES填充算法的名稱(chēng)設(shè)定為 pkcs5，而實(shí)際實(shí)現(xiàn)中實(shí)現(xiàn)的是 pkcs7，所以我們?cè)?nbsp;java端開(kāi)發(fā)解密的時(shí)候需要使用 pkcs5。

AES-CBC

談完了不安全的 AES-ECB，我們來(lái)做一下相對(duì)安全一些的 AES-CBC模式。

AES-CBC的Javascript加密

直接上代碼：

const cipher = forge.cipher.createCipher('AES-CBC', '這里是16字節(jié)密鑰');
cipher.start({ iv: '這里是16字節(jié)偏移量' });
cipher.update(forge.util.createBuffer('這里是明文'));
cipher.finish();
const result = forge.util.encode64(cipher.output.getBytes());

跟上面的 AES-ECB差不多，唯一區(qū)別只是在 start函數(shù)里定義了一個(gè) iv。

AES-CBC的Java解密

下面是 Java代碼：

try {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance('AES/CBC/PKCS5Padding');
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec('這里是16字節(jié)密鑰'.getBytes(), 'AES'), new IvParameterSpec('這里是16字節(jié)偏移量'.getBytes()));
    String plaintext = new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode('這里是明文'.getBytes())), 'UTF-8');
    System.out.println(plaintext);
} catch (Exception e) {
    System.out.println('解密出錯(cuò)：' + e.toString());
}

也是同樣，跟上面用 AES-ECB時(shí)的模式幾乎一模一樣，只是增加了一個(gè) IvParameterSpec，用來(lái)生成 iv，在 cipher.init里面增加了一個(gè) iv參數(shù)，除此之外完全相同，就這樣我們就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的 CBC模式。

RSA

但是以上兩種做法都明顯是非常不安全的，因?yàn)槲覀儼鸭用苡玫拿荑€和 iv參數(shù)都直接暴露在了前端，為此我們需要一種更加安全的加密方法—— RSA。因?yàn)?nbsp;RSA是非對(duì)稱(chēng)加密，即使我們把加密用的公鑰完全暴露在前端也不必?fù)?dān)心，別人即使截獲了我們的密文，但因?yàn)樗麄儧](méi)有解密密鑰，是無(wú)法解出我們的明文的。

生成密鑰對(duì)

要用 RSA加密，首先我們需要生成一個(gè)公鑰和一個(gè)私鑰，我們可以直接執(zhí)行命令 ssh-keygen。它會(huì)問(wèn)我們密鑰文件保存的文件夾，注意一定要單獨(dú)找一個(gè)文件夾存放，不要放在缺省文件夾下，否則你日常使用的 ssh公鑰和私鑰就都被覆蓋了。

得到公鑰文件之后，由于這個(gè)公鑰文件是 rfc4716格式的，而我們的 forge庫(kù)要求一個(gè) pkcs1格式的公鑰，所以這里我們需要把它轉(zhuǎn)換成 pem格式（也就是 pkcs1格式）：

ssh-keygen -f 公鑰文件名 -m pem -e

RSA的Javascript加密

得到 pem格式的公鑰之后，我們來(lái)看一下 js的代碼：

一句話就完成整個(gè)加密過(guò)程了，這就是 forge的強(qiáng)大之處。

RSA的Java解密

接下來(lái)我們看解密。

對(duì)于私鑰，因?yàn)?nbsp;Java只支持 PKCS8，而我們用 ssh-keygen生成的私鑰是 pkcs1的，所以還需要用以下命令把 pkcs1的私鑰轉(zhuǎn)換為 pkcs8的私鑰：

openssl pkcs8 -topk8 -inform PEM -outform PEM -nocrypt -in 私鑰文件名 -out 導(dǎo)出文件名

得到 pkcs8格式的私鑰之后，我們把這個(gè)文件的頭和尾去掉，然后放入以下 Java代碼：

和上面的 AES解密類(lèi)似，只是增加了 KeyFactory讀取 PKCS8格式私鑰的部分，這樣我們就完成了 Java端的 RSA解密。

以上我們用最簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)了 js端加密， java端解密的過(guò)程，感興趣的朋友可以在這里下載完整的代碼親自驗(yàn)證一下：

https://github.com/fengerzh/encdec