循序漸進學加密
還記得上初二的那年夏天，班里來了一個新同學，他就住在我家對面的樓里，于是我們一起上學放學，很快便成了最要好的朋友。我們決定發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含義。我們第一個想到的就是漢語拼音，但很顯然光把一個句子變成漢語拼音是不夠的，于是我們把26個英文字母用簡譜的方式從低音到高音排起來，就得到了一個簡單的密碼本：
把“我們都是好朋友”用這個密碼本變換之后就得到了這樣的結果：
小時候玩這個游戲樂此不疲，覺得非常有趣。上大學后，有幸聽盧開澄教授講《計算機密碼學》，才知道原來我們小時候玩的這個游戲遠遠不能稱之為加密。那么到底什么是加密呢?
什么是加密?
把字符串123456經過base64變換之后，得到了MTIzNDU2，有人說這是base64加密。
把字符串123456經過md5變換之后，得到了E10ADC3949BA59ABBE56E057F20F883E，有人說這是md5加密。
從嚴格意義上來說，不管是base64還是md5甚至更復雜一些的sha256都不能稱之為加密。
一句話，沒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象(例如：比特模式、自然數序列、8位字節或者電脈沖)，以便文本在計算機中存儲和通過通信網絡的傳遞的方法，常見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)是電腦科學中一種對資料的處理方法，通過某種特定的函數/算法(稱為雜湊函數/算法)將要檢索的項與用來檢索的索引(稱為雜湊，或者雜湊值)關聯起來，生成一種便于搜索的資料結構(稱為雜湊表)。雜湊算法常被用來保護存在資料庫中的密碼字符串，由于雜湊算法所計算出來的雜湊值具有不可逆(無法逆向演算回原本的數值)的性質，因此可有效的保護密碼。常用的雜湊算法包括md5, sha1, sha256等。
- 加密(Encryption)是將明文信息改變為難以讀取的密文內容，使之不可讀的過程。只有擁有解密方法的對象，經由解密過程，才能將密文還原為正常可讀的內容。加密分為對稱加密和非對稱加密，對稱加密的常用算法包括DES, AES等，非對稱加密算法包括RSA，橢圓曲線算法等。
在古典加密算法當中，加密算法和密鑰都是不能公開的，一旦泄露就有被破解的風險，我們可以用詞頻推算等方法獲知明文。1972年美國IBM公司研制的DES算法(Data Encryption Standard)是人類歷史上第一個公開加密算法但不公開密鑰的加密方法，后來成為美國軍方和政府機構的標準加密算法。2002年升級成為AES算法(Advanced Encryption Standard)，我們今天就從AES開始入手學習加密和解密。
準備工具
通常情況下，加解密都只需要在服務端完成就夠了，這也是網上大多數教程和樣例代碼的情況，但在某種特殊情況下，你需要用一種語言加密而用另一種語言解密的時候，最好有一個中立的公正的第三方結果集來驗證你的加密結果，否則一旦出錯，你都不知道是加密算法出錯了，還是解密算法出錯了，對此我們是有慘痛教訓的，特別是如果一個公司里，寫加密的是前端，用的是js語言，而寫解密的是后端，用的是java語言或者php語言或者go語言，則雙方更需要有這樣一個客觀公正的平臺，否則你們之間必然會陷入永無休止的互相指責的境地，前端說自己沒有錯，是后端解密解錯了，后端說解密沒有錯，是前端加密寫錯了，而事實上是雙方都是菜鳥，對密碼學一知半解，在這種情況下浪費的時間就更多。
在線AES加密解密就是這樣的一個工具網站，你可以在上面驗證你的加密結果，如果你加密得到的結果和它的結果完全一致，就說明你的加密算法沒有問題，否則你就去調整，直到和它的結果完全一致為止。反之亦然，如果它能從一個密文解密解出來，而你的代碼解不出來，那么一定是你的算法有問題，而不可能是數據的問題。
我們先在這個網站上對一個簡單的字符串123456進行加密。
下面我們對網站上的所有選項逐個解釋一下：
- AES加密模式：這里我們選擇的是ECB(ee cc block)模式。這是AES所有模式中最簡單也是最不被人推薦的一種模式，因為它的固定的明文對應的是固定的密文，很容易被破解。但是既然是練習的話，就讓我們先從最簡單的開始。
- 填充：在這里我們選擇pkcs標準的pkcs7padding。
- 數據塊：我們選擇128位，因為java端解密算法目前只支持AES128，所以我們先從128位開始。
- 密鑰：因為我們前面選擇了128位的數據塊，所以這里我們用128 / 8 = 16個字節來處理，我們先簡單地填入16個0，其實你也可以填寫任意字符，比如abcdefg1234567ab或者其它，只要是16個字節即可。理論上來說，不是16個字節也可以用來當密鑰，優秀的算法會自動補齊，但是為了簡單起見，我們先填入16個0。
- 偏移量：置空。因為是ECB模式，不需要iv偏移量。
- 輸出：我們選擇base64編碼方式。
- 字符集：這里因為我們只加密英文字母和阿拉伯數字，所以選擇utf-8和gb2312都是一樣的。
好了，現在我們知道按照以上選項設置好之后的代碼如果加密123456的話，應該輸出DoxDHHOjfol/2WxpaXAXgQ==，如果不是這個結果，那就是加密端的問題。
AES-ECB
1. AES-ECB的Javascript加密
為了完成AES加密，我們并不需要自己手寫一個AES算法，不需要去重復造輪子。但如何選擇js的加密庫是個很有意思的挑戰。我們嘗試了很多方法，一開始我們嘗試了aes-js這個庫，但它不支持RSA算法，后來我們看到Web Crypto API這種瀏覽器自帶的加密庫，原生支持AES和RSA，但它的RSA實現和Java不兼容，最終我們還是選擇了Forge這個庫，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編寫的js代碼實現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，所以不用特別設置。運行它之后你就會得到正確的加密結果。
2. AES-ECB的Java解密
接下來我們看看Java端的解密代碼該如何寫：
- try {
- Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
- cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec("這里是16字節密鑰".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：" + e.toString());
- }
注意這里我們用到的是PKCS5Padding，上面加密的時候不是用的是pkcs7padding嗎?怎么這里變成5了呢?
我們先來了解一下什么是pkcs。pkcs的全稱是Public Key Cryptography Standards(公鑰加密標準)，這是RSA實驗室制定的一系列的公鑰密碼編譯標準，比較著名的有pkcs1, pkcs5, pkcs7, pkcs8這四個，它們分別管理的是不同的內容。在這里我們只是用它來填充，所以我們只關注pkcs5和pkcs7就夠了。那么pkcs5和pkcs7有什么區別呢?其實在填充方面它們兩個的算法是一樣的，pkcs5是pkcs7的一個子集，區別在于pkcs5是8字節固定的，而pkcs7可以是1到255之間的任意字節。但用在AES算法上，因為AES標準規定塊大小必須是16字節或者24字節或者32字節，不可能用pkcs5的8字節，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命名上的錯誤，他們把AES填充算法的名稱設定為pkcs5，而實際實現中實現的是pkcs7，所以我們在java端開發解密的時候需要使用pkcs5。
AES-CBC
談完了不安全的AES-ECB，我們來做一下相對安全一些的AES-CBC模式。
1. AES-CBC的Javascript加密
直接上代碼：
- const cipher = forge.cipher.createCipher('AES-CBC', '這里是16字節密鑰');
- cipher.start({ iv: '這里是16字節偏移量' });
- 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，唯一區別只是在start函數里定義了一個iv。
2. 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字節密鑰".getBytes(), "AES"), new IvParameterSpec("這里是16字節偏移量".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：" + e.toString());
- }
也是同樣，跟上面用AES-ECB時的模式幾乎一模一樣，只是增加了一個IvParameterSpec，用來生成iv，在cipher.init里面增加了一個iv參數，除此之外完全相同，就這樣我們就已經實現了一個簡單的CBC模式。
RSA
但是以上兩種做法都明顯是非常不安全的，因為我們把加密用的密鑰和iv參數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。因為RSA是非對稱加密，即使我們把加密用的公鑰完全暴露在前端也不必擔心，別人即使截獲了我們的密文，但因為他們沒有解密密鑰，是無法解出我們的明文的。
1. 生成密鑰對
要用RSA加密，首先我們需要生成一個公鑰和一個私鑰，我們可以直接執行命令ssh-keygen。它會問我們密鑰文件保存的文件夾，注意一定要單獨找一個文件夾存放，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，由于這個公鑰文件是rfc4716格式的，而我們的forge庫要求一個pkcs1格式的公鑰，所以這里我們需要把它轉換成pem格式(也就是pkcs1格式)：
- ssh-keygen -f 公鑰文件名 -m pem -e
2. RSA的Javascript加密
得到pem格式的公鑰之后，我們來看一下js的代碼：
- forge.util.encode64(forge.pki.publicKeyFromPem('-----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----MIIBCfdsafasfasfafsdaafdsaAB-----END RSA PUBLIC KEY-----').encrypt('這里是明文', 'RSA-OAEP', { md: forge.md.sha256.create(), mgf1: { md: forge.md.sha1.create() } });
一句話就完成整個加密過程了，這就是forge的強大之處。
3. RSA的Java解密
接下來我們看解密。
對于私鑰，因為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的私鑰轉換為pkcs8的私鑰：
- openssl pkcs8 -topk8 -inform PEM -outform PEM -nocrypt -in 私鑰文件名 -out 導出文件名
得到pkcs8格式的私鑰之后，我們把這個文件的頭和尾去掉，然后放入以下Java代碼：
- try {
- Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding");
- cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(Base64.getDecoder().decode("這里是私鑰"))));
- String plaintext = new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode("這里是密文".getBytes())), "UTF-8");
- System.out.println(plaintext);
- } catch (Exception e) {
- System.out.println("解密出錯：" + e.toString());
- }
和上面的AES解密類似，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。
以上我們用最簡單的方式實現了js端加密，java端解密的過程，感興趣的朋友可以在這里下載完整的代碼親自驗證一下：
https://github.com/fengerzh/encdec
