Android安全加密：对称加密
Android安全加密專題文章索引
一、凱撒密碼
1. 概述
凱撒密碼作為一種最為古老的對稱加密體制，在古羅馬的時候都已經很流行，他的基本思想是：通過把字母移動一定的位數來實現加密和解密。明文中的所有字母都在字母表上向后（或向前）按照一個固定數目進行偏移后被替換成密文。例如，當偏移量是3 的時候，所有的字母A 將被替換成D，B 變成E，由此可見，位數就是凱撒密碼加密和解密的密鑰。
例如：字符串”ABC”的每個字符都右移3 位則變成”DEF”，解密的時候”DEF”的每個字符左移3 位即能還原，如下圖所示：
2. 準備知識
//字符轉換成ASCII 碼數值char charA = 'a';int intA = charA; //char 強轉為int 即得到對應的ASCII 碼值，’a’的值為97//ASCII 碼值轉成char int intA = 97;//97 對應的ASCII 碼’a’ char charA = (char) intA; //int 值強轉為char 即得到對應的ASCII 字符，即'a'3. 凱撒密碼的簡單代碼實現
/*** 加密* @param input 數據源（需要加密的數據）* @param key 秘鑰，即偏移量* @return 返回加密后的數據*/public static String encrypt(String input, int key) {//得到字符串里的每一個字符char[] array = input.toCharArray();for (int i = 0; i < array.length; ++i) {//字符轉換成ASCII 碼值int ascii = array[i];//字符偏移，例如a->bascii = ascii + key;//ASCII 碼值轉換為charchar newChar = (char) ascii;//替換原有字符array[i] = newChar;//以上4 行代碼可以簡寫為一行//array[i] = (char) (array[i] + key);}//字符數組轉換成Stringreturn new String(array);}/*** 解密* @param input 數據源（被加密后的數據）* @param key 秘鑰，即偏移量* @return 返回解密后的數據*/public static String decrypt(String input, int key) {//得到字符串里的每一個字符char[] array = input.toCharArray();for (int i = 0; i < array.length; ++i) {//字符轉換成ASCII 碼值int ascii = array[i];//恢復字符偏移，例如b->aascii = ascii - key;//ASCII 碼值轉換為charchar newChar = (char) ascii;//替換原有字符array[i] = newChar;//以上4 行代碼可以簡寫為一行//array[i] = (char) (array[i] - key);}//字符數組轉換成Stringreturn new String(array);}代碼輸出結果：
4. 破解凱撒密碼：頻率分析法
凱撒密碼加密強度太低，只需要用頻度分析法即可破解。
在任何一種書面語言中，不同的字母或字母組合出現的頻率各不相同。而且，對于以這種語言書寫的任意一段文本，都具有大致相同的特征字母分布。比如，在英語中，字母E 出現的頻率很高，而X 則出現得較少。
英語文本中典型的字母分布情況如下圖所示：
5. 破解流程
- 統計密文里出現次數最多的字符，例如出現次數最多的字符是是’h’。
- 計算字符’h’到’e’的偏移量，值為3，則表示原文偏移了3 個位置。
- 將密文所有字符恢復偏移3 個位置。
注意點：統計密文里出現次數最多的字符時，需多統計幾個備選，因為最多的可能是空格或者其他字符，例如下圖出現次數最多的字符’#’是空格加密后的字符，’h’才是’e’偏移后的值。
解密時要多幾次嘗試，因為不一定出現次數最多的字符就是我們想要的目標字符，如下圖，第二次解密的結果才是正確的。
/*** 頻率分析法破解凱撒密碼*/ public class FrequencyAnalysis {//英文里出現次數最多的字符private static final char MAGIC_CHAR = 'e';//破解生成的最大文件數private static final int DE_MAX_FILE = 4;public static void main(String[] args) throws Exception {//測試1，統計字符個數//printCharCount("article1_en.txt");//加密文件//int key = 3;//encryptFile("article1.txt", "article1_en.txt", key);//讀取加密后的文件String artile = file2String("article1_en.txt");//解密（會生成多個備選文件）decryptCaesarCode(artile, "article1_de.txt");}public static void printCharCount(String path) throws IOException{String data = file2String(path);List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(data);for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {//輸出前幾位的統計信息System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出現" + 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);}/*** 破解凱撒密碼* @param input 數據源* @return 返回解密后的數據*/public static void decryptCaesarCode(String input, String destPath) {int deCount = 0;//當前解密生成的備選文件數//獲取出現頻率最高的字符信息（出現次數越多越靠前）List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(input);for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {//限制解密文件備選數if (deCount >= DE_MAX_FILE) {break;}//輸出前幾位的統計信息System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出現" + entry.getValue() + "次");++deCount;//出現次數最高的字符跟MAGIC_CHAR的偏移量即為秘鑰int key = entry.getKey() - MAGIC_CHAR;System.out.println("猜測key = " + key + "， 解密生成第" + deCount + "個備選文件" + "\n");String decrypt = MyEncrypt.decrypt(input, key);String fileName = "de_" + deCount + destPath;string2File(decrypt, fileName);}}//統計String里出現最多的字符public static List<Entry<Character, Integer>> getMaxCountChar(String data) {Map<Character, Integer> map = new HashMap<Character, Integer>();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);}}//輸出統計信息/*for (Entry<Character, Integer> entry : map.entrySet()) {System.out.println(entry.getKey() + "出現" + entry.getValue() + "次");}*///獲取獲取最大值int maxCount = 0;for (Entry<Character, Integer> entry : map.entrySet()) {//不統計空格if (/*entry.getKey() != ' ' && */entry.getValue() > maxCount) { maxCount = entry.getValue();}}//map轉換成list便于排序List<Entry<Character, Integer>> mapList = new ArrayList<Map.Entry<Character,Integer>>(map.entrySet());//根據字符出現次數排序Collections.sort(mapList, new Comparator<Entry<Character, Integer>>(){@Overridepublic int compare(Entry<Character, Integer> o1,Entry<Character, Integer> 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、對稱加密
1、概述
加密和解密都使用同一把秘鑰，這種加密方法稱為對稱加密，也稱為單密鑰加密。
簡單理解為：加密解密都是同一把鑰匙。
凱撒密碼就屬于對稱加密，他的字符偏移量即為秘鑰。
2、對稱加密常用算法
AES、DES、3DES、TDEA、Blowfish、RC2、RC4、RC5、IDEA、SKIPJACK 等。
DES
全稱為Data Encryption Standard，即數據加密標準，是一種使用密鑰加密的塊算法，1976 年被美國聯邦政府的國家標準局確定為聯邦資料處理標準（FIPS），隨后在國際上廣泛流傳開來。
3DES
也叫Triple DES，是三重數據加密算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）塊密碼的通稱。
它相當于是對每個數據塊應用三次DES 加密算法。由于計算機運算能力的增強，原版DES 密碼的密鑰長度變得容易被暴力破解；3DES 即是設計用來提供一種相對簡單的方法，即通過增加DES 的密鑰長度來避免類似的攻擊，而不是設計一種全新的塊密碼算法。
AES
高級加密標準（英語：Advanced Encryption Standard，縮寫：AES），在密碼學中又稱Rijndael 加密法，是美國聯邦政府采用的一種區塊加密標準。這個標準用來替代原先的DES，已經被多方分析且廣為全世界所使用。經過五年的甄選流程，高級加密標準由美國國家標準與技術研究院（NIST）于2001 年11 月26 日發布于FIPS PUB 197，并在2002 年5 月26 日成為有效的標準。2006 年，高級加密標準已然成為對稱密鑰加密中最流行的算法之一。
3、DES 算法簡介
DES 加密原理（對比特位進行操作，交換位置，異或等等，無需詳細了解）
準備知識
Bit 是計算機最小的傳輸單位。以0 或1 來表示比特位的值
例如數字3 對應的二進制數據為：00000011
代碼示例
int i = 97;String bit = Integer.toBinaryString(i);//輸出：97 對應的二進制數據為： 1100001System.out.println(i + "對應的二進制數據為： " + bit);Byte 與Bit 區別
數據存儲是以“字節”（Byte）為單位，數據傳輸是大多是以“位”（bit，又名“比特”）為單位，一個位就代表一個0 或1（即二進制），每8 個位（bit，簡寫為b）組成一個字節（Byte，簡寫為B），是最小一級的信息單位。
Byte 的取值范圍：
//byte 的取值范圍：-128 到127 System.out.println(Byte.MIN_VALUE + "到" + Byte.MAX_VALUE);即10000000 到01111111 之間，一個字節占8 個比特位
二進制轉十進制圖示：
任何字符串都可以轉換為字節數組
String data = "1234abcd"; byte[] bytes = data.getBytes();//內容為：49 50 51 52 97 98 99 100上面數據49 50 51 52 97 98 99 100 對應的二進制數據（即比特位為）：
00110001
00110010
00110011
00110100
01100001
01100010
01100011
01100100
將他們間距調大一點，可看做一個矩陣：
之后可對他們進行各種操作，例如交換位置、分割、異或運算等，常見的加密方式就是這樣操作比特位的，例如下圖的IP 置換以及S-Box 操作都是常見加密的一些方式：
IP 置換：
S-BOX 置換：
DES 加密過程圖解（流程很復雜，只需要知道內部是操作比特位即可）：
對稱加密應用場景
- 本地數據加密（例如加密android 里SharedPreferences 里面的某些敏感數據）
- 網絡傳輸：登錄接口post 請求參數加密{username=lisi,pwd=oJYa4i9VASRoxVLh75wPCg==}
- 加密用戶登錄結果信息并序列化到本地磁盤(將user 對象序列化到本地磁盤，下次登錄時反序列化到內存里)
- 網頁交互數據加密（即后面學到的Https）
DES 算法代碼實現
//1,得到cipher 對象（可翻譯為密碼器或密碼系統）Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");//2，創建秘鑰SecretKey key = KeyGenerator.getInstance("DES").generateKey();//3，設置操作模式（加密/解密）cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);//4，執行操作byte[] result = cipher.doFinal("黑馬".getBytes());AES 算法代碼實現
用法同上，只需把”DES”參數換成”AES”即可。
使用Base64 編碼加密后的結果
byte[] result = cipher.doFinal("黑馬".getBytes()); System.out.println(new String(result));輸出結果：
加密后的結果是字節數組，這些被加密后的字節在碼表（例如UTF-8 碼表）上找不到對應字符，會出現亂碼，當亂碼字符串再次轉換為字節數組時，長度會變化，導致解密失敗，所以轉換后的數據是不安全的。
使用Base64 對字節數組進行編碼，任何字節都能映射成對應的Base64 字符，之后能恢復到字節數組，利于加密后數據的保存于傳輸，所以轉換是安全的。同樣，字節數組轉換成16 進制字符串也是安全的。
密文轉換成Base64 編碼后的輸出結果：
密文轉換成16 進制編碼后的輸出結果：
Java 里沒有直接提供Base64 以及字節數組轉16 進制的Api，開發中一般是自己手寫或直接使用第三方提供的成熟穩定的工具類（例如apache 的commons-codec）。
Base64 字符映射表
對稱加密的具體應用方式
1、生成秘鑰并保存到硬盤上，以后讀取該秘鑰進行加密解密操作，實際開發中用得比較少
//生成隨機秘鑰 SecretKey secretKey = KeyGenerator.getInstance("AES").generateKey(); //序列化秘鑰到磁盤上 FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("heima.key"));ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos); oos.writeObject(secretKey);//從磁盤里讀取秘鑰 FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("heima.key")); ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis); Key key = (Key) ois.readObject();2、使用自定義秘鑰（秘鑰寫在代碼里）
//創建密鑰寫法1 KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes()); SecretKey secretKey = SecretKeyFactory.getInstance(ALGORITHM). generateSecret(keySpec);//創建密鑰寫法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，后續代碼就是Cipher 的寫法，此處省略...注意事項
把秘鑰寫在代碼里有一定風險，當別人反編譯代碼的時候，可能會看到秘鑰，android 開發里建議用JNI 把秘鑰值寫到C 代碼里，甚至拆分成幾份，最后再組合成真正的秘鑰
算法/工作模式/填充模式
初始化cipher 對象時，參數可以直接傳算法名：例如：
Cipher c = Cipher.getInstance("DES");也可以指定更詳細的參數，格式：”algorithm/mode/padding” ，即”算法/工作模式/填充模式”
Cipher c = Cipher.getInstance("DES/CBC/PKCS5Padding");密碼塊工作模式
塊密碼工作模式(Block cipher mode of operation)，是對于按塊處理密碼的加密方式的一種擴充，不僅僅適用于AES，包括DES, RSA 等加密方法同樣適用。
填充模式
填充(Padding)，是對需要按塊處理的數據，當數據長度不符合塊處理需求時，按照一定方法填充滿塊長的一種規則。
具體代碼：
//秘鑰算法 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"; //秘鑰 private static final String KEY = "12345678";//DES 秘鑰長度必須是8 位或以上 //private static final String KEY = "1234567890123456";//AES 秘鑰長度必須是16 位//初始化秘鑰 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 參數
//AES、DES 在CBC 操作模式下需要iv 參數 IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(key.getBytes());//加密 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, iv);三、總結
DES 安全度在現代已經不夠高，后來又出現的3DES 算法強度提高了很多，但是其執行效率低下，AES算法加密強度大，執行效率高，使用簡單，實際開發中建議選擇AES 算法。實際android 開發中可以用對稱加密（例如選擇AES 算法）來解決很多問題，例如：
- 做一個管理密碼的app，我們在不同的網站里使用不同賬號密碼，很難記住，想做個app 統一管理，但是賬號密碼保存在手機里，一旦丟失了容易造成安全隱患，所以需要一種加密算法，將賬號密碼信息加密起來保管，這時候如果使用對稱加密算法，將數據進行加密，秘鑰我們自己記在心里，只需要記住一個密碼。需要的時候可以還原信息。
- android 里需要把一些敏感數據保存到SharedPrefrence 里的時候，也可以使用對稱加密，這樣可以在需要的時候還原。
- 請求網絡接口的時候，我們需要上傳一些敏感數據，同樣也可以使用對稱加密，服務端使用同樣的算法就可以解密。或者服務端需要給客戶端傳遞數據，同樣也可以先加密，然后客戶端使用同樣算法解密。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Android安全加密：对称加密的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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