加密与安全_探索口令加密算法(PBE)

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概述

加密与安全_探索对称加密算法中我们提到AES加密密钥长度是固定的128/192/256位,而不是我们用WinZip/WinRAR那样,随便输入几位都可以。

这是因为对称加密算法决定了口令必须是固定长度,然后对明文进行分块加密。又因为安全需求,口令长度往往都是128位以上,即至少16个字符。


疑问

我们平时使用的加密软件,输入6位、8位都可以,难道是加密方式不一样吗?

用户输入的口令往往不能直接作为AES的密钥进行加密,因为它们的长度通常不符合AES密钥的要求,而且可能存在规律性,容易受到字典攻击等安全威胁。

为了解决这个问题,通常会使用PBE算法,采用随机数杂凑计算出真正的密钥,再进行加密。。


PBE 算法 ( Password Based Encryption)

PBE算法(Password-Based Encryption)是一种安全的密码基础加密算法,用于将用户输入的口令转换为符合要求的密钥,以便进行加密操作。 在使用PBE算法时,用户只需输入一个口令,而不需要直接提供一个符合要求的密钥。PBE算法的作用是通过结合用户输入的口令和一个安全随机生成的盐值,采用杂凑计算的方式生成最终的密钥。

通俗的可以理解为下面的函数:

java 复制代码
key = generate(userPassword, secureRandomPassword);

以AES密钥生成为例,用户只需输入一个口令,而不需要担心口令的长度和复杂度是否符合要求。PBE算法会在内部生成一个安全的随机数作为盐值,并将用户输入的口令与盐值一起进行杂凑计算,从而生成一个符合AES加密算法要求的真正密钥。

通过这种方式,PBE算法实现了对用户口令的保护,同时确保生成的密钥符合加密算法的要求,从而提高了整个加密系统的安全性。


Code

POM

java 复制代码
   <dependency>
            <groupId>org.bouncycastle</groupId>
            <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
            <version>1.68</version>
        </dependency>

实现

java 复制代码
package com.artisan.securityalgjava.peb;

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.PBEKeySpec;
import javax.crypto.spec.PBEParameterSpec;
import java.math.BigInteger;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.Security;
import java.util.Base64;

 
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 * 使用PBE算法进行加密和解密示例
 */
public class PBEExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 将BouncyCastle作为Provider添加到java.security:
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        // 加密口令:
        String password = "hello12345";
        // 16 bytes随机Salt:
        byte[] salt = SecureRandom.getInstanceStrong().generateSeed(16);
        System.out.printf("salt: %032x\n", new BigInteger(1, salt));
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes("UTF-8");
        byte[] encrypted = encrypt(password, salt, data);
        System.out.println("encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(password, salt, encrypted);
        System.out.println("decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8"));
    }

    // 加密:
    public static byte[] encrypt(String password, byte[] salt, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 使用口令生成PBEKeySpec对象
        PBEKeySpec keySpec = new PBEKeySpec(password.toCharArray());
        // 创建密钥工厂
        SecretKeyFactory skeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("PBEwithSHA1and128bitAES-CBC-BC");
        // 生成密钥对象
        SecretKey skey = skeyFactory.generateSecret(keySpec);
        // 创建PBE参数对象
        PBEParameterSpec pbeps = new PBEParameterSpec(salt, 1000);
        // 创建加密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("PBEwithSHA1and128bitAES-CBC-BC");
        // 初始化加密器
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skey, pbeps);
        // 执行加密操作
        return cipher.doFinal(input);
    }

    // 解密:
    public static byte[] decrypt(String password, byte[] salt, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 使用口令生成PBEKeySpec对象
        PBEKeySpec keySpec = new PBEKeySpec(password.toCharArray());
        // 创建密钥工厂
        SecretKeyFactory skeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("PBEwithSHA1and128bitAES-CBC-BC");
        // 生成密钥对象
        SecretKey skey = skeyFactory.generateSecret(keySpec);
        // 创建PBE参数对象
        PBEParameterSpec pbeps = new PBEParameterSpec(salt, 1000);
        // 创建解密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("PBEwithSHA1and128bitAES-CBC-BC");
        // 初始化解密器
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skey, pbeps);
        // 执行解密操作
        return cipher.doFinal(input);
    }
}

在使用PBE时,引入BouncyCastle提供了更多的加密算法支持,并且可以使用其中的PBE算法。

  • 指定算法为PBEwithSHA1and128bitAES-CBC-BC表明了我们使用SHA1和128位AES加密算法结合的PBE算法。

  • 真正的AES密钥是在调用Cipher#init()方法时同时传入SecretKeyPBEParameterSpec实现的。在创建PBEParameterSpec时,我们指定了循环次数为1000。循环次数的增加可以增加破解所需的计算量,从而提高加密的安全性。

  • 如果我们固定了salt和循环次数,就得到了一个通用的"口令"加密软件。用户只需要输入口令,程序就可以使用固定的salt和循环次数来加密和解密数据。

  • 如果我们将随机生成的salt存储在U盘中,就可以得到一个"口令"加USB Key的加密软件。这种方式的好处在于,即使用户使用了一个非常弱的口令,没有U盘也无法解密,因为U盘存储的随机数密钥具有很高的安全性。


小结

  • PBE算法(Password-Based Encryption)通过用户输入的口令和一个安全的随机salt结合,经过多次迭代的杂凑计算生成最终的密钥(Key),然后再使用这个密钥进行加密操作。这种方式的安全性得到了显著提高,因为即使用户输入的口令较弱,通过引入随机salt和多次迭代的杂凑计算,生成的密钥也具有足够的复杂性和随机性,从而增加了破解的难度。

  • PBE算法内部使用的仍然是标准的对称加密算法,例如AES。生成的密钥(Key)是由用户口令和随机salt计算得出的,然后再传递给底层的对称加密算法进行加密和解密操作。这种结构既保留了对称加密算法的高效性和快速性,又通过PBE算法增加了用户口令的安全性,使得整个加密过程更加安全可靠。

总之,PBE算法通过结合用户口令和安全的随机salt,生成一个复杂且安全的密钥,进而增强了对称加密算法的安全性,为数据加密提供了更加可靠的保障。

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