数据传输加密问题

一、应该怎样保存用户密码？

UserData userData = new UserData(); userData.setId(1L); userData.setName(name); //使用密码字段MD5哈希后保存 userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex(password)); return userRepository.save(userData); 

"password": "325a2cc052914ceeb8c19016c091d2ac" 

userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex(DigestUtils.md5Hex( password))); 

"password": "ebbca84993fe002bac3a54e90d677d09" 

userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex("salt"   password));

"password": "58b1d63ed8492f609993895d6ba6b93a"

"password": "55f312f84e7785aa1efa552acbf251db"

userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex(name + password));

userData.setSalt(UUID.randomUUID().toString());
userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex(userData.getSalt() + password));

private static BCryptPasswordEncoder passwordEncoder = new BCryptPasswordEncoder();

@GetMapping("performance")
public void performance() { 
        
    StopWatch stopWatch = new StopWatch();
    String password = "Abcd1234";
    stopWatch.start("MD5");
    //MD5
    DigestUtils.md5Hex(password);
    stopWatch.stop();
    stopWatch.start("BCrypt(10)");
    //代价因子为10的BCrypt
    String hash1 = BCrypt.gensalt(10);
    BCrypt.hashpw(password, hash1);
    System.out.println(hash1);
    stopWatch.stop();
    stopWatch.start("BCrypt(12)");
    //代价因子为12的BCrypt
    String hash2 = BCrypt.gensalt(12);
    BCrypt.hashpw(password, hash2);
    System.out.println(hash2);
    stopWatch.stop();
    stopWatch.start("BCrypt(14)");
    //代价因子为14的BCrypt
    String hash3 = BCrypt.gensalt(14);
    BCrypt.hashpw(password, hash3);
    System.out.println(hash3);
    stopWatch.stop();
    log.info("{}", stopWatch.prettyPrint());
}

@GetMapping("better")
public UserData better(@RequestParam(value = "name", defaultValue = "zhuye") String name, @RequestParam(value = "password", defaultValue = "Abcd1234") String password) { 
        
    UserData userData = new UserData();
    userData.setId(1L);
    userData.setName(name);
    //保存哈希后的密码
    userData.setPassword(passwordEncoder.encode(password));
    userRepository.save(userData);
    //判断密码是否匹配
    log.info("match ? {}", passwordEncoder.matches(password, userData.getPassword()));
    return userData;
}

"password": "$2a$10$wPWdQwfQO2lMxqSIb6iCROXv7lKnQq5XdMO96iCYCj7boK9pk6QPC"
//格式为：$<ver>$<cost>$<salt><digest>

最后，我们需要注意的是，虽然黑客已经很难通过彩虹表来破解密码了，但是仍然有可能暴力破解密码，也就是对于同一个用户名使用常见的密码逐一尝试登录。因此，除了做好密码哈希保存的工作外，我们还要建设一套完善的安全防御机制，在感知到暴力破解危害的时候，开启短信验证、图形验证码、账号暂时锁定等防御机制来抵御暴力破解。

二、应该怎么保存姓名和身份证？

网上很多使用 AES 来加密的代码，使用的是最简单的 ECB 模式（也叫电子密码本模式），其基本结构如下：

可以看到，这种结构有两个风险：明文和密文是一一对应的，如果明文中有重复的分组，那么密文中可以观察到重复，掌握密文的规律；因为每一个分组是独立加密和解密的 ，如果密文分组的顺序，也可以反过来操纵明文，那么就可以实现不解密密文的情况下，来修改明文。我们写一段代码来测试下。

在下面的代码中，我们使用 ECB 模式测试：

• 加密一段包含 16 个字符的字符串，得到密文 A；然后把这段字符串复制一份成为一个 32 个字符的字符串，再进行加密得到密文 B。我们验证下密文 B 是不是重复了一遍的密文 A。
• 模拟银行转账的场景，假设整个数据由发送方账号、接收方账号、金额三个字段构成。我们尝试改变密文中数据的顺序来操纵明文。

private static final String KEY = "secretkey1234567"; //密钥
//测试ECB模式
@GetMapping("ecb")
public void ecb() throws Exception { 
        
  Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/NoPadding");
  test(cipher, null);
}
//获取加密秘钥帮助方法
private static SecretKeySpec setKey(String secret) { 
        
    return new SecretKeySpec(secret.getBytes(), "AES");
}
//测试逻辑
private static void test(Cipher cipher, AlgorithmParameterSpec parameterSpec) throws Exception { 
        
    //初始化Cipher
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, setKey(KEY), parameterSpec);
    //加密测试文本
    System.out.println("一次：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal("abcdefghijklmnop".getBytes())));
    //加密重复一次的测试文本
    System.out.println("两次：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal("abcdefghijklmnopabcdefghijklmnop".getBytes())));
    //下面测试是否可以通过操纵密文来操纵明文 
    //发送方账号
    byte[] sender = "1000000000012345".getBytes();
    //接收方账号
    byte[] receiver = "1000000000034567".getBytes();
    //转账金额
    byte[] money = "0000000010000000".getBytes();
    //加密发送方账号
    System.out.println("发送方账号：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(sender)));
    //加密接收方账号
    System.out.println("接收方账号：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(receiver)));
    //加密金额
    System.out.println("金额：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(money)));
    //加密完整的转账信息
    byte[] result = cipher.doFinal(ByteUtils.concatAll(sender, receiver, money));
    System.out.println("完整数据：" + Hex.encodeHexString(result));
    //用于操纵密文的临时字节数组
    byte[] hack = new byte[result.length];
    //把密文前两段交换
    System.arraycopy(result, 16, hack, 0, 16);
    System.arraycopy(result, 0, hack, 16, 16);
    System.arraycopy(result, 32, hack, 32, 16);
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, setKey(KEY), parameterSpec);
    //尝试解密
    System.out.println("原始明文：" + new String(ByteUtils.concatAll(sender, receiver, money)));
    System.out.println("操纵密文：" + new String(cipher.doFinal(hack)));
}

输出如下：

可以看到：

• 两个相同明文分组产生的密文，就是两个相同的密文分组叠在一起。
• 在不知道密钥的情况下，我们操纵密文实现了对明文数据的修改，对调了发送方账号和接收方账号。

所以说，ECB 模式虽然简单，但是不安全，不推荐使用。我们再看一下另一种常用的加密模式，CBC 模式。

CBC 模式，在解密或解密之前引入了 XOR 运算，第一个分组使用外部提供的初始化向量 IV，从第二个分组开始使用前一个分组的数据，这样即使明文是一样的，加密后的密文也是不同的，并且分组的顺序不能任意调换。这就解决了 ECB 模式的缺陷：

我们把之前的代码修改为 CBC 模式，再次进行测试：

 private static final String initVector = "abcdefghijklmnop"; //初始化向量

@GetMapping("cbc")
public void cbc() throws Exception { 
        
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding");
    IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(initVector.getBytes("UTF-8"));
    test(cipher, iv);
}

可以看到，相同的明文字符串复制一遍得到的密文并不是重复两个密文分组，并且调换密文分组的顺序无法操纵明文：

其实，除了 ECB 模式和 CBC 模式外，AES 算法还有 CFB、OFB、CTR 模式，你可以参考这里了解它们的区别。

《实用密码学》一书比较推荐的是 CBC 和 CTR 模式。

还需要注意的是，ECB 和 CBC 模式还需要设置合适的填充模式，才能处理超过一个分组的数据。

对于敏感数据保存，除了选择 AES+ 合适模式进行加密外，我还推荐以下几个实践：

• 不要在代码中写死一个固定的密钥和初始化向量，最好和之前提到的盐一样，是唯一、独立并且每次都变化的。
• 推荐使用独立的加密服务来管控密钥、做加密操作，千万不要把密钥和密文存在一个数据库，加密服务需要设置非常高的管控标准。
• 数据库中不能保存明文的敏感信息，但可以保存脱敏的信息。普通查询的时候，直接查脱敏信息即可。

接下来，我们按照这个策略完成相关代码实现。

第一步，对于用户姓名和身份证，我们分别保存三个信息，脱敏后的明文、密文和加密 ID。加密服务加密后返回密文和加密 ID，随后使用加密 ID 来请求加密服务进行解密：

@Data
@Entity
public class UserData { 
        
    @Id
    private Long id;
    private String idcard;//脱敏的身份证
    private Long idcardCipherId;//身份证加密ID
    private String idcardCipherText;//身份证密文
    private String name;//脱敏的姓名
    private Long nameCipherId;//姓名加密ID
    private String nameCipherText;//姓名密文
}

第二步，加密服务数据表保存加密 ID、初始化向量和密钥。加密服务表中没有密文，实现了密文和密钥分离保存：

@Data
@Entity
public class CipherData { 
        
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = AUTO)
    private Long id;
    private String iv;//初始化向量
    private String secureKey;//密钥
}

第三步，加密服务使用 GCM 模式（ Galois/Counter Mode）的 AES-256 对称加密算法，也就是 AES-256-GCM。

这是一种AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）认证加密算法，除了能实现普通加密算法提供的保密性之外，还能实现可认证性和密文完整性，是目前最推荐的 AES 模式。

使用类似 GCM 的 AEAD 算法进行加解密，除了需要提供初始化向量和密钥之外，还可以提供一个 AAD（附加认证数据，additional authenticated data），用于验证未包含在明文中的附加信息，解密时不使用加密时的 AAD 将解密失败。

其实，GCM 模式的内部使用的就是 CTR 模式，只不过还使用了 GMAC 签名算法，对密文进行签名实现完整性校验。接下来，我们实现基于 AES-256-GCM 的加密服务，包含下面的主要逻辑：

• 加密时允许外部传入一个 AAD 用于认证，加密服务每次都会使用新生成的随机值作为密钥和初始化向量。
• 在加密后，加密服务密钥和初始化向量保存到数据库中，返回加密 ID 作为本次加密的标识。
• 应用解密时，需要提供加密 ID、密文和加密时的 AAD 来解密。加密服务使用加密 ID，从数据库查询出密钥和初始化向量。

@Service
public class CipherService { 
        
    //密钥长度
    public static final int AES_KEY_SIZE = 256;
    //初始化向量长度
    public static final int GCM_IV_LENGTH = 12;
    //GCM身份认证Tag长度
    public static final int GCM_TAG_LENGTH = 16;
    @Autowired
    private CipherRepository cipherRepository;

    //内部加密方法
    public static byte[] doEncrypt(byte[] plaintext, SecretKey key, byte[] iv, byte[] aad) throws Exception { 
        
        //加密算法
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
        //Key规范
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key.getEncoded(), "AES");
        //GCM参数规范
        GCMParameterSpec gcmParameterSpec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH * 8, iv);
        //加密模式
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, gcmParameterSpec);
        //设置aad
        if (aad != null)
            cipher.updateAAD(aad);
        //加密
        byte[] cipherText = cipher.doFinal(plaintext);
        return cipherText;
    }

    //内部解密方法
    public static String doDecrypt(byte[] cipherText, SecretKey key, byte[] iv, byte[] aad) throws Exception { 
        
        //加密算法
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
        //Key规范
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key.getEncoded(), "AES");
        //GCM参数规范
        GCMParameterSpec gcmParameterSpec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH * 8, iv);
        //解密模式
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, gcmParameterSpec);
        //设置aad
        if (aad != null)
            cipher.updateAAD(aad);
        //解密
        byte[] decryptedText = cipher.doFinal(cipherText);
        return new String(decryptedText);
    }

    //加密入口
    public CipherResult encrypt(String data, String aad) throws Exception { 
        
        //加密结果
        CipherResult encryptResult = new CipherResult();
        //密钥生成器
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance
        标签： c091系列连接器
 
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