基本需求及概念
随着Internet网的广泛应用，信息安全问题日益突出，以数据加密技术为核心的信息安全技术也得到了极大的发展。目前的数据加密技术根据加密密钥类型可分私钥加密（对称加密）系统和公钥加密（非对称加密）系统。
对称加密算法是较传统的加密体制，通信双方在加/解密过程中使用他们共享的单一密钥，鉴于其算法简单和加密速度快的优点，目前仍然是主流的密码体制之一。最常用的对称密码算法是数据加密标准（DES）算法，但是由于DES密钥长度较短，已经不适合当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求。最后，一种新的基于Rijndael算法对称高级数据加密标准AES取代了数据加密标准DES。非对称加密由于加/解密钥不同（公钥加密，私钥解密），密钥管理简单，也得到广泛应用。RSA是非对称加密系统最著名的公钥密码算法
AES算法
美国国家标准和技术研究所（NIST）经过三轮候选算法筛选，从众多的分组密码中选中Rijndael算法作为高级加密标准（AES）。Rijndael密码是一个迭代型分组密码，分组长度和密码长度都是可变的，分组长度和密码长度可以独立的指定为128比特，192比特或者256比特。AES的加密算法的数据处理单位是字节，128位的比特信息被分成16个字节，按顺序复制到一个4*4的矩阵中，称为状态（state），AES的所有变换都是基于状态矩阵的变换。
用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所示）。在轮函数的每一轮迭代中，包括四步变换，分别是字节代换运算(ByteSub())、行变换(ShiftRows())、列混合(MixColumns())以及轮密钥的添加变换AddRoundKey()[3]，其作用就是通过重复简单的非线形变换、混合函数变换，将字节代换运算产生的非线性扩散，达到充分的混合，在每轮迭代中引入不同的密钥，从而实现加密的有效性。
下面是三种不同类型的AES加密密钥分组大小与相应的加密轮数的对照表。加密开始时，输入分组的各字节按表2 的方式装入矩阵state中。如输入ABCDEFGHIJKLMNOP，则输入块影射到如表2的状态矩阵中。
表1：
AES类型 密钥长度 分组长度 加密轮数
AES-128 4字 4字 10
AES-192 6字 4字 12
AES-256 8字 4字 14
A E I M
B F J N
C G K O
D H L P
1、字节代换运算(ByteSub())
字节代换运算是一个可逆的非线形字节代换操作，对分组中的每个字节进行，对字节的操作遵循一个代换表，即S盒。S盒由有限域 GF（28）上的乘法取逆和GF（2）上的仿射变换两步组成。
2、行变换ShiftRows()
行变换是一种线性变换，其目的就是使密码信息达到充分的混乱，提高非线形度。行变换对状态的每行以字节为单位进行循环右移，移动字节数根据行数来确定，第0行不发生偏移，第一行循环右移一个字节，第二行移两个，依次类推。
3、 列混合变换MixColumns()
列变换就是从状态中取出一列，表示成多项式的形式后，用它乘以一个固定的多项式a(x)，然后将所得结果进行取模运算，模值为 x4+1。其中a(x)={03}x3+{02}x2+{01}x+{02},
这个多项式与x4+1互质，因此是可逆的。列混合变换的算术表达式为：s’(x)= a(x) s(x)，其中， s(x)表示状态的列多项式。
4、轮密钥的添加变换AddRoundKey()
在这个操作中，轮密钥被简单地异或到状态中，轮密钥根据密钥表获得，其长度等于数据块的长度Nb。
AES算法流程
对于发送方，它首先创建一个AES私钥，并用口令对这个私钥进行加密。然后把用口令加密后的AES密钥通过Internet发送到接收方。发送方解密这个私钥，并用此私钥加密明文得到密文，密文和加密后的AES密钥一起通过Internet发送到接收方。接收方收到后再用口令对加密密钥进行解密得到AES密钥，最后用解密后的密钥把收到的密文解密成明文。图7中是这个过程的实现流程。
AES算法流程
RSA算法
RSA算法基本原理及流程
RSA是在1977年发明RSA密码系统的三个人的名字的首字母的缩写，他们是：Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman。它是第一个公钥加密算法，在很多密码协议中都有应用，如SSL和S/MIME。RSA算法是基于大质数的因数分解的公匙体系。简单的讲，就是两个很大的质数，一个作为公钥，另一个作为私钥，如用其中一个加密，则用另一个解密。密钥长度从40到2048位可变，密钥越长，加密效果越好，但加密解密的开销也大。RSA算法可简单描述如下：
公开密钥：n=pq，（p，q为两个不同的很大的质数，p和q必须保密）将(p-1)和(q-1)相乘得到φ(n)选择一个整数e (1<e<φ(n))与φ(n)互质秘密密钥：d=e-1modφ(n)，即计算一个数字d，使得它满足公式 de=1 modφ(n)加密：c=mc(mod n) 解密：m=cd(mod n)，m为明文，c为密文。
RSA算法实现流程
首先，接收方创建RSA密匙对，即一个公钥和一个私钥，公钥被发送到发送方,私钥则被保存在接收方。发送方在接收到这个公钥后,用该公钥对明文进行加密得到密文，然后把密文通过网络传输给接收方。接收方在收到它们后，用RSA私钥对收到的密文进行解密，最后得到明文 下面 是整个过程的实现流程。
AES与RSA相结合数据加密方案
RSA算法是公开密钥系统的代表，其安全性建立在具有大素数因子的合数，其因子分解困难这一法则之上的。Rijndael算法作为新一代的高级加密标准，运行时不需要计算机有非常高的处理能力和大的内存，操作可以很容易的抵御时间和空间的攻击，在不同的运行环境下始终能保持良好的性能。这使AES将安全，高效，性能，方便，灵活性集于一体，理应成为网络数据加密的首选。相比较，因为AES密钥的长度最长只有256比特，可以利用软件和硬件实现高速处理，而RSA算法需要进行大整数的乘幂和求模等多倍字长处理，处理速度明显慢于AES[5]；所以AES算法加解密处理效率明显高于RSA算法。在密钥管理方面，因为AES算法要求在通信前对密钥进行秘密分配，解密的私钥必须通过网络传送至加密数据接收方，而RSA采用公钥加密，私钥解密（或私钥加密，公钥解密），加解密过程中不必网络传输保密的密钥；所以RSA算法密钥管理要明显优于AES算法。
从上面比较得知，由于RSA加解密速度慢，不适合大量数据文件加密，因此在网络中完全用公开密码体制传输机密信息是没有必要，也是不太现实的。AES加密速度很快，但是在网络传输过程中如何安全管理AES密钥是保证AES加密安全的重要环节。这样在传送机密信息的双方，如果使用AES对称密码体制对传输数据加密，同时使用RSA不对称密码体制来传送AES的密钥，就可以综合发挥AES和RSA的优点同时避免它们缺点来实现一种新的数据加密方案。
Android端 AES+RSA结合实践
基本要求
保证传输数据的安全性
保证数据的完整性
能够验证客户端的身份
基本流程
Android端
- 服务器端(server)分别生成自己的RSA密钥对,并提供接口给Android客户端获取RSA公钥(rsaPublicKey)
- client生成AES密钥(aesKey)
- client使用自己的AES密钥(aesKey)对转换为json格式的请求明文数据(data)进行加密，得到加密后的请求数据encryptData
- client提供server提供的接口获取RSA公钥(rsaPublicKey)
- client使用获取RSA公钥(rsaPublicKey)对AES密钥(aesKey)进行加密，得到encryptAesKey
client将encryptAesKey作为http请求头参数，将加密后的请求数据encryptData作为请求体一起传输给服务器端
服务器端
- server 响应client的http请求，读取http请求头。获得client传过来的加密后的AES密钥(encryptAesKey)，读取http请求体，获得client传过来的加密后的请求数据(encryptData)。
- server使用自己的RSA私钥(rsaPrivateKey)对加密后的AES密钥(encryptAesKey)进行RSA解密，得到AES密钥(aesKey)
- 使用解密后的AES密钥(aesKey)对加密后的请求数据(encryptData),进行AES解密操作，得到解密后的请求数据(data)，该数据为json格式
- 对解密后的请求数据(data)进行json解析，然后做相关的响应操作。
分享github上一个demon https://github.com/wustrive2008/aes-rsa-java
下面进入代码实战。
<一>. MD5加密算法：
消息摘要算法第五版(Message Digest Algorithm)，是一种单向加密算法，只能加密、无法解密。然而MD5加密算法已经被中国山东大学王小云教授成功破译哭，但是在安全性要求不高的场景下，MD5加密算法仍然具有应用价值。
1. 创建md5对象：
MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance(“md5”);
2. 进行加密操作：
byte[] cipherData = md5.digest(plainText.getBytes());
- 将其中的每个字节转成十六进制字符串：byte类型的数据最高位是符号位，通过和0xff进行与操作，转换为int类型的正整数。
Java代码
String toHexStr = Integer.toHexString(cipher & 0xff); - 如果该正数小于16(长度为1个字符)，前面拼接0占位：确保最后生成的是32位字符串。
Java代码
builder.append(toHexStr.length() == 1 ? “0” + toHexStr : toHexStr); - 加密转换之后的字符串为：c0bb4f54f1d8b14caf6fe1069e5f93ad
- 完整的MD5算法应用如下所示：
Java代码 /** * 功能简述: 测试MD5单向加密. * @throws Exception */ @Test public void test01() throws Exception { String plainText = "Hello , world !"; MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("md5"); byte[] cipherData = md5.digest(plainText.getBytes()); StringBuilder builder = new StringBuilder(); for(byte cipher : cipherData) { String toHexStr = Integer.toHexString(cipher & 0xff); builder.append(toHexStr.length() == 1 ? "0" + toHexStr : toHexStr); } System.out.println(builder.toString()); }
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<二>. 使用BASE64进行加密/解密：
使用BASE64算法通常用作对二进制数据进行加密，加密之后的数据不易被肉眼识别。严格来说，经过BASE64加密的数据其实没有安全性可言保密，因为它的加密解密算法都是公开的，典型的防菜鸟不防程序猿的呀。 经过标准的BASE64算法加密后的数据， 通常包含/、+、=等特殊符号，不适合作为url参数传递，幸运的是Apache的Commons Codec模块提供了对BASE64的进一步封装。 (参见最后一部分的说明)
1. 使用BASE64加密：
Java代码
BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
String cipherText = encoder.encode(plainText.getBytes());
2. 使用BASE64解密：
Java代码
BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder();
plainText = new String(decoder.decodeBuffer(cipherText));
3. 完整代码示例：
Java代码
/** * 功能简述: 使用BASE64进行双向加密/解密. * @throws Exception */ @Test public void test02() throws Exception { BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder(); BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder(); String plainText = "Hello , world !"; String cipherText = encoder.encode(plainText.getBytes()); System.out.println("cipherText : " + cipherText); System.out.println("plainText : " + new String(decoder.decodeBuffer(cipherText)));
<三>. 使用DES对称加密/解密：
数据加密标准算法(Data Encryption Standard)，和BASE64最明显的区别就是有一个工作密钥，该密钥既用于加密、也用于解密，并且要求密钥是一个长度至少大于8位的字符串。使用DES加密、解密的核心是确保工作密钥的安全性。叫
1. 根据key生成密钥：
Java代码
DESKeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes())SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("des")SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(keySpec)
- 加密操作：
Java代码
Cipher cipher = Cipher.getInstance("des")cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, new SecureRandom())byte[] cipherData = cipher.doFinal(plainText.getBytes())
- 为了便于观察生成的加密数据，使用BASE64再次加密：
String cipherText = new BASE64Encoder().encode(cipherData);
生成密文如下：PtRYi3sp7TOR69UrKEIicA==
4. 解密操作：
Java代码
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, new SecureRandom()); byte[] plainData = cipher.doFinal(cipherData); String plainText = new String(plainData);
- 完整的代码demo：
Java代码
/** * 功能简述: 使用DES对称加密/解密. * http://hello-nick-xu.iteye.com/blog/2103781 * @throws Exception */ @Test public void test03() throws Exception { String plainText = "Hello , world !"; String key = "12345678"; SecureRandom random = new SecureRandom(); DESKeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes()); SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("des"); SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(keySpec); Cipher cipher = Cipher.getInstance("des"); cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, random); byte[] cipherData = cipher.doFinal(plainText.getBytes()); System.out.println("cipherText : " + new BASE64Encoder().encode(cipherData)); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, random); byte[] plainData = cipher.doFinal(cipherData); System.out.println("plainText : " + new String(plainData)); }
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<四>. 使用RSA非对称加密/解密：
RSA算法是非对称加密算法的典型代表，既能加密、又能解密。和对称加密算法比如DES的明显区别在于用于加密、解密的密钥是不同的。使用RSA算法，只要密钥足够长(一般要求1024bit)，加密的信息是不能被破解的。天真用户通过https协议访问服务器时，就是使用非对称加密算法进行数据的加密、解密操作的。
服务器发送数据给客户端时使用私钥（private key）进行加密，并且使用加密之后的数据和私钥生成数字签名（digital signature）并发送给客户端。客户端接收到服务器发送的数据会使用公钥（public key）对数据来进行解密，并且根据加密数据和公钥验证数字签名的有效性，防止加密数据在传输过程中被第三方进行了修改。
客户端发送数据给服务器时使用公钥进行加密，服务器接收到加密数据之后使用私钥进行解密。
1. 创建密钥对KeyPair：
Java代码
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("rsa")keyPairGenerator.initialize(1024)KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair()
- 获取公钥/私钥：
Java代码
PublicKey publicKey = keyPair.getPublic()PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate()
- 服务器数据使用私钥加密：
Java代码
Cipher cipher = Cipher.getInstance("rsa")cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey, new SecureRandom())byte[] cipherData = cipher.doFinal(plainText.getBytes())
- 用户使用公钥解密：
Java代码
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey, new SecureRandom())byte[] plainData = cipher.doFinal(cipherData)
- 服务器根据私钥和加密数据生成数字签名：
Java代码
Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA")signature.initSign(privateKey)signature.update(cipherData)byte[] signData = signature.sign()
- 用户根据公钥、加密数据验证数据是否被修改过：
Java代码
signature.initVerify(publicKey)signature.update(cipherData)boolean status = signature.verify(signData)
- RSA算法代码demo
Java代码 /** * 功能简述: 使用RSA非对称加密/解密. * @throws Exception */ @Test public void test04() throws Exception { String plainText = "Hello , world !"; KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("rsa"); keyPairGenerator.initialize(1024); KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair(); PublicKey publicKey = keyPair.getPublic(); PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate(); Cipher cipher = Cipher.getInstance("rsa"); SecureRandom random = new SecureRandom(); cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey, random); byte[] cipherData = cipher.doFinal(plainText.getBytes()); System.out.println("cipherText : " + new BASE64Encoder().encode(cipherData)); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey, random); byte[] plainData = cipher.doFinal(cipherData); System.out.println("plainText : " + new String(plainData)); Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA"); signature.initSign(privateKey); signature.update(cipherData); byte[] signData = signature.sign(); System.out.println("signature : " + new BASE64Encoder().encode(signData)); signature.initVerify(publicKey); signature.update(cipherData); boolean status = signature.verify(signData); System.out.println("status : " + status); }
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下面给出工具类
package com.excelsoft.common.crypto; import java.io.IOException; import java.security.Key; import java.security.KeyPair; import java.security.KeyPairGenerator; import java.security.MessageDigest; import java.security.NoSuchAlgorithmException; import java.security.PrivateKey; import java.security.PublicKey; import java.security.SecureRandom; import java.security.Signature; import javax.crypto.Cipher; import javax.crypto.SecretKey; import javax.crypto.SecretKeyFactory; import javax.crypto.spec.DESKeySpec; import org.apache.commons.logging.Log; import org.apache.commons.logging.LogFactory; import sun.misc.BASE64Decoder; import sun.misc.BASE64Encoder; /** * 功能简述: 加密解密工具类，对MD5/BASE64/DES/RSA等算法提供了包装. * @author Nick Xu * @version 1.0 */ public class EncryptUtil { private static Log logger = LogFactory.getLog(EncryptUtil.class); private static final int KEY_SIZE = 1024; private static final String MD5_ALGORITHM= "md5"; private static final String DES_ALGORITHM= "des"; private static final String RSA_ALGORITHM= "rsa"; private static final String SIGNATURE_ALGORITHM= "MD5withRSA"; private static MessageDigest md5; private static BASE64Encoder encoder; private static BASE64Decoder decoder; private static SecureRandom random; private static KeyPair keyPair; private EncryptUtil() { } static { try { md5 = MessageDigest.getInstance(MD5_ALGORITHM); KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(RSA_ALGORITHM); keyPairGenerator.initialize(KEY_SIZE); keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair(); } catch (NoSuchAlgorithmException e) { logger.error(e); } encoder = new BASE64Encoder(); decoder = new BASE64Decoder(); random = new SecureRandom(); } /** * 功能简述: 使用md5进行单向加密. */ public static String encryptMD5(String plainText) { byte[] cipherData = md5.digest(plainText.getBytes()); StringBuilder builder = new StringBuilder(); for(byte cipher : cipherData) { String toHexStr = Integer.toHexString(cipher & 0xff); builder.append(toHexStr.length() == 1 ? "0" + toHexStr : toHexStr); } return builder.toString(); } /** * 功能简述: 使用BASE64进行加密. * @param plainData 明文数据 * @return 加密之后的文本内容 */ public static String encryptBASE64(byte[] plainData) { return encoder.encode(plainData); } /** * 功能简述: 使用BASE64进行解密. * @param cipherText 密文文本 * @return 解密之后的数据 */ public static byte[] decryptBASE64(String cipherText) { byte[] plainData = null; try { plainData = decoder.decodeBuffer(cipherText); } catch (IOException e) { logger.error(e); } return plainData; } /** * 功能简述: 使用DES算法进行加密. * @param plainData 明文数据 * @param key 加密密钥 * @return */ public static byte[] encryptDES(byte[] plainData, String key) { return processCipher(plainData, createSecretKey(key), Cipher.ENCRYPT_MODE, DES_ALGORITHM); } /** * 功能简述: 使用DES算法进行解密. * @param cipherData 密文数据 * @param key 解密密钥 * @return */ public static byte[] decryptDES(byte[] cipherData, String key) { return processCipher(cipherData, createSecretKey(key), Cipher.DECRYPT_MODE, DES_ALGORITHM); } /** * 功能简述: 根据key创建密钥SecretKey. * @param key * @return */ private static SecretKey createSecretKey(String key) { SecretKey secretKey = null; try { DESKeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes()); SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(DES_ALGORITHM); secretKey = keyFactory.generateSecret(keySpec); } catch (Exception e) { logger.error(e); } return secretKey; } /** * 功能简述: 加密/解密处理流程. * @param processData 待处理的数据 * @param key 提供的密钥 * @param opsMode 工作模式 * @param algorithm 使用的算法 * @return */ private static byte[] processCipher(byte[] processData, Key key, int opsMode, String algorithm) { try{ Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm); cipher.init(opsMode, key, random); return cipher.doFinal(processData); } catch (Exception e) { logger.error(e); } return null; } /** * 功能简述: 创建私钥，用于RSA非对称加密. * @return */ public static PrivateKey createPrivateKey() { return keyPair.getPrivate(); } /** * 功能简述: 创建公钥，用于RSA非对称加密. * @return */ public static PublicKey createPublicKey() { return keyPair.getPublic(); } /** * 功能简述: 使用RSA算法加密. * @param plainData 明文数据 * @param key 密钥 * @return */ public static byte[] encryptRSA(byte[] plainData, Key key) { return processCipher(plainData, key, Cipher.ENCRYPT_MODE, RSA_ALGORITHM); } /** * 功能简述: 使用RSA算法解密. * @param cipherData 密文数据 * @param key 密钥 * @return */ public static byte[] decryptRSA(byte[] cipherData, Key key) { return processCipher(cipherData, key, Cipher.DECRYPT_MODE, RSA_ALGORITHM); } /** * 功能简述: 使用私钥对加密数据创建数字签名. * @param cipherData 已经加密过的数据 * @param privateKey 私钥 * @return */ public static byte[] createSignature(byte[] cipherData, PrivateKey privateKey) { try { Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM); signature.initSign(privateKey); signature.update(cipherData); return signature.sign(); } catch (Exception e) { logger.error(e); } return null; } /** * 功能简述: 使用公钥对数字签名进行验证. * @param signData 数字签名 * @param publicKey 公钥 * @return */ public static boolean verifySignature(byte[] cipherData, byte[] signData, PublicKey publicKey) { try { Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM); signature.initVerify(publicKey); signature.update(cipherData); return signature.verify(signData); } catch (Exception e) { logger.error(e); } return false; } }
