2016年5月1日 星期日

Java JCE - AES 的 Encryption & Decryption @2016-05-01

前言:

都已經2016年了,本來不打算寫這篇的,但偶然發現網路上有多個中文部落格,甚至是論壇上分享或是討論 Java 的 AES 的程式,都沒有討論一些問題,深怕一堆人看到這種範例程式就放到你開發的系統上。另外,為了簡化程式來說明,以下的程式並不考慮Exception處理方式。

內容:

先來看網路上常見的程式的寫法:
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class AES_DEFAULT {  
 public static byte[] Encrypt(SecretKey secretKey, String msg) throws Exception  
 {  
  Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES"); //: 等同 AES/ECB/PKCS5Padding
  cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey); 
  System.out.println("AES_DEFAULT IV:"+cipher.getIV());
  System.out.println("AES_DEFAULT Algoritm:"+cipher.getAlgorithm());
  byte[] byteCipherText = cipher.doFinal(msg.getBytes());  
  System.out.println("加密結果的Base64編碼:" + Base64.getEncoder().encodeToString(byteCipherText));
  return byteCipherText;  
 }  

 public static byte[] Decrypt(SecretKey secretKey, byte[] cipherText) throws Exception  
 {  
  Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES"); 
  cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);  
  byte[] decryptedText = cipher.doFinal(cipherText);  
  String strDecryptedText = new String(decryptedText);
  System.out.println("解密結果:" + strDecryptedText);
  return decryptedText;  
 }  

 public static void main(String args[]) throws Exception{
  KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
  keyGen.init(128,new SecureRandom( ) );
  SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();
  byte[] iv = new byte[128 / 8]; 
  SecureRandom prng = new SecureRandom();
  prng.nextBytes(iv);

  byte[] cipher = AES_DEFAULT.Encrypt(secretKey, "I am PlainText!!");
  AES_DEFAULT.Decrypt(secretKey, cipher);  
 }
} 
上面這種寫法,這個程式對於加解密的運作是正常的,但會有潛在的3個問題:


  1. 第 1 個問題在第 4 行 這個用法所使用的 Cipher mode 是 ECB,也就是比較不安全的方式。原因是 ECB 對於相同的資料加密後的結果會是一樣的,有興趣可以參考(Wiki上的那張企鵝圖)。 如果你的應用是每次加密時 secret key 都是重新產生的,而且需要被加密的資料每次都完全不同的時候,各自的資料內容本身也是異質性相當高,如果採用這種做法也沒有太大的問題,但還是不建議。因為以加密的應用來說,常見的對象就是檔案或是運用在傳輸加密。而這兩種方式,大部分都會有相同的資料。以檔案來說,相同類型的檔案你用binary編輯器打開檔案,你就可以觀察到檔案的前面都會有雷同的資料。通訊協定更是如此,例如:HTTP通訊協定。
  2. 第 2 個問題在第 25 行 secret key 長度的問題,不應該使用 128 bits 長度,強度太弱。
  3. 第 3 個問題在第 8 行的 msg.getBytes( ),不同的作業系統所使用的預設 charset 可能是不同的。這樣的做法,有可能會造成不同平台在加密時的行為不如你所預期,也就是解密後的內容可能跟你當初要加密的資料不同。


比較建議的寫法是採用下面這種:
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class AES_CBC_PKCS5PADDING {
 
 public static byte[] Encrypt(SecretKey secretKey, byte[] iv, String msg) throws Exception{
  Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5PADDING"); 
  cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, new IvParameterSpec(iv));    
  System.out.println("AES_CBC_PKCS5PADDING IV:"+cipher.getIV());
  System.out.println("AES_CBC_PKCS5PADDING Algoritm:"+cipher.getAlgorithm());
  byte[] byteCipherText = cipher.doFinal(msg.getBytes("UTF-8"));
  System.out.println("加密結果的Base64編碼:" + Base64.getEncoder().encodeToString(byteCipherText));

  return byteCipherText;
 }
 
 public static void Decrypt(SecretKey secretKey, byte[] cipherText, byte[] iv) throws Exception{
  Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5PADDING"); 
  cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, new IvParameterSpec(iv));    
  byte[] decryptedText = cipher.doFinal(cipherText);
  String strDecryptedText = new String(decryptedText);
  System.out.println("解密結果:" + strDecryptedText);
 }
 
 public static void main(String args[]) throws Exception{
  KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
  keyGen.init(256,new SecureRandom( ) );
  SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();
  byte[] iv = new byte[256 / 8]; 
  SecureRandom prng = new SecureRandom();
  prng.nextBytes(iv);

  byte[] cipher = AES_CBC_PKCS5PADDING.Encrypt(secretKey, iv, "I am PlainText!!");
  AES_CBC_PKCS5PADDING.Decrypt(secretKey, cipher, iv);  
 }
}
在第 3 行明確指定採用 CBC 的 cipher mode,並且指定 Padding 方式,有興趣可參考這篇 Padding 運作方式。在第 8 行,直接指定用 msg.getBytes("UTF-8"),避免一些問題,如果需要加密的內容都是純ANSI,你可以指定用 ANSI 就可以。

此處,還是要強調 AES的加密 Secret Key 的長度建議至少要 256 bit 以上,用同一把 Secret Key 做加密時候,應該都要產生新的 IV 來加密可以參考下面這種寫法來產生所需要的 AES Secret Key 和 IV。另外,IV 在解密時候,也要用當初加密使用的相同IV才可以。

  KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
  keyGen.init(256,new SecureRandom( ) );
  SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();
  byte[] iv = new byte[256 / 8]; 
  SecureRandom prng = new SecureRandom();
  prng.nextBytes(iv);

另外,由於 Oracle 官方預設標準的Java執行環境沒法支援產生 AES 256 bits 長度的 secret key。所以,你會遇到下面這種錯訊息:

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Exception in thread "main" java.security.InvalidKeyException: Illegal key size or default parameters
 at javax.crypto.Cipher.checkCryptoPerm(Cipher.java:1026)
 at javax.crypto.Cipher.implInit(Cipher.java:801)
 at javax.crypto.Cipher.chooseProvider(Cipher.java:864)
 at javax.crypto.Cipher.init(Cipher.java:1249)
 at javax.crypto.Cipher.init(Cipher.java:1186)

這表示你的執行環境需要安裝 Java Cryptography Extension (JCE) Unlimited Strength Jurisdiction Policy Files。這裡要特別注意,你務必要安裝跟執行環境JVM相同版本的JCE Policy,否則可能會遇到一些怪異的現象。(Android執行環境不在此限)

最後,常問遇到的問題就是:

  1. 如果檔案很大的Stream類型的檔案(如:Video or Audio)要如何做到加密?
  2. 想要隨意位置讀取已經加密的內容要怎麼做?

建議的做法:


  • 第 1 個問題,很簡單請看清楚 Cipher 的 API doc,採用多次呼叫 update 的方法,最後再呼叫 doFinal 方法即可。
  • 第 2 個問題,只要將 Cipher mode 改為 CTR 即可,另外如果是要隨機存取某個 Block 的資料,必須要自己重新計算那個 Block 開始的 IV。
請參考類似下面的寫法:
(Note: This sample code does not testing well, please don't adopt it on production system.)

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class AES_CTR_PKCS5PADDING {
 private static final int BLOCK_SIZE = 16;
 
 public static void Encrypt(SecretKey secretKey, byte[] iv, File plainTextFile, File encryptedFile) throws Exception{
  Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CTR/PKCS5PADDING"); 
  cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, new IvParameterSpec(iv));    
  System.out.println("AES_CTR_PKCS5PADDING IV:"+cipher.getIV());
  System.out.println("AES_CTR_PKCS5PADDING Algoritm:"+cipher.getAlgorithm());
  byte buf[] = new byte[4096];
  try (InputStream in = new FileInputStream(plainTextFile);
    OutputStream out = new FileOutputStream(encryptedFile);){
   int readBytes = in.read(buf);   
   while(readBytes > 0){
    byte[] cipherBytes = cipher.update(buf, 0 , readBytes);
    out.write(cipherBytes);
    readBytes = in.read(buf);
   }
   cipher.doFinal();
  }
 }
 
 public static void Decrypt(SecretKey secretKey, byte[] iv, File cipherTextFile, File decryptedFile) throws Exception{
  Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CTR/PKCS5PADDING"); 
  cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, new IvParameterSpec(iv));    
  
  if(!decryptedFile.exists()){
   decryptedFile.createNewFile(); //: Here, it may be fail if ...
  }
  
  byte buf[] = new byte[4096];
  try (InputStream in = new FileInputStream(cipherTextFile);
    OutputStream out = new FileOutputStream(decryptedFile);){
   int readBytes = in.read(buf);   
   while(readBytes > 0){
    byte[] decryptedBytes = cipher.update(buf, 0 , readBytes);
    out.write(decryptedBytes);
    readBytes = in.read(buf);
   }
   cipher.doFinal();
  }
 }
  
 public static byte[] DecryptPartial(SecretKey secretKey, byte[] iv, File cipherTextFile, int blockIndex, int blockCount ) throws Exception{
  final int offset = blockIndex * BLOCK_SIZE;
  final int bufSize = blockCount * BLOCK_SIZE;

  Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CTR/PKCS5PADDING"); 
  cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, calculateIVForBlock(new IvParameterSpec(iv), blockIndex ));

  byte[] decryptedBytes = new byte[bufSize];
  try (FileInputStream in = new FileInputStream(cipherTextFile)){
   byte inputBuf[] = new byte[bufSize];
   in.skip(offset);
   int readBytes = in.read(inputBuf);
   decryptedBytes = cipher.update(inputBuf, 0, readBytes);
  }
  return decryptedBytes;
 } 

 private static IvParameterSpec calculateIVForBlock(final IvParameterSpec iv,
         final long blockIndex) {  
     final BigInteger biginIV = new BigInteger(1, iv.getIV());
     final BigInteger blockIV = biginIV.add(BigInteger.valueOf(blockIndex));
     final byte[] blockIVBytes = blockIV.toByteArray();

     // Normalize the blockIVBytes as 16 bytes for IV
     if(blockIVBytes.length == BLOCK_SIZE){
      return new IvParameterSpec(blockIVBytes);
     }
     if(blockIVBytes.length > BLOCK_SIZE ){
      // For example: if the blockIVBytes length is 18, blockIVBytes is [0],[1],...[16],[17]
      // We have to remove [0],[1] , so we change the offset = 2
      int offset = blockIVBytes.length - BLOCK_SIZE;
      return new IvParameterSpec(blockIVBytes, offset, BLOCK_SIZE);
     }
     else{
      // For example: if the blockIVBytes length is 14, blockIVBytes is [0],[1],...[12],[13]
      // We have to insert 2 bytes at head
      final byte[] newBlockIV = new byte[BLOCK_SIZE]; //: default set to 0 for 16 bytes
      int offset = blockIVBytes.length - BLOCK_SIZE;
      System.arraycopy(blockIVBytes, 0, newBlockIV, offset, blockIVBytes.length);
      return new IvParameterSpec(newBlockIV);
     }
 }
 
 private static void createTestFile(String path) throws Exception{
  File test = new File(path);  
  try(FileOutputStream out = new FileOutputStream(test)){

   StringBuffer buf = new StringBuffer(16);

   int blockCount = 100000;
   for(int i = 0 ; i < blockCount ; i ++){
    buf.append(i);
    int size = buf.length();
    for(int j = 0; j < (14-size); j++ ){
     buf.append('#');
    }
    out.write(buf.toString().getBytes());
    out.write("\r\n".getBytes());
    buf.delete(0, 16);
   }   
  }  
 }
 
 public static void main(String args[]) throws Exception{
  KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
  keyGen.init(256,new SecureRandom( ) );
  SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();
  byte[] iv = new byte[128 / 8]; 
  SecureRandom prng = new SecureRandom();
  prng.nextBytes(iv);
  
  {
   String originalFile = "~/PlainText.txt";
   String encryptedFile = "~/CipherText.enc"; 
   String deryptedFile = "~/Decrypted.txt";   

   AES_CTR_PKCS5PADDING.createTestFile(originalFile); //: Create Testing Data
   
   AES_CTR_PKCS5PADDING.Encrypt(secretKey, iv, new File(originalFile), new File(encryptedFile));
   AES_CTR_PKCS5PADDING.Decrypt(secretKey, iv, new File(encryptedFile), new File(deryptedFile));
   byte[] ret = AES_CTR_PKCS5PADDING.DecryptPartial(secretKey, iv, new File(encryptedFile), 100, 10);   
   System.out.println(new String(ret));
  }
 }



最後:

這邊我沒有提到另外一種 GCM 的 Cipher Mode,原則上,如果你沒有 Authentication 的需要時候,就不需要用到 GCM。

Reference:

* https://en.wikipedia.org/wiki/Block_cipher_mode_of_operation#Electronic_Codebook_.28ECB.29
* https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/security/SunProviders.html

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