加密与安全_优雅存储二要素（AES-256-GCM ）

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什么是二要素

二要素（姓名和身份证）是敏感数据，，很多网站仅仅依靠二要素来确认你是谁，若以明文形式存储在数据库中，存在被攻破的风险。若这些信息被不法分子获取， 后果严重。

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如何保护二要素（姓名和身份证）

单向散列算法，如MD5、SHA-256等，虽然可以对数据生成唯一的指纹，但由于其不可逆，无法用于加密需要解密的数据。因此，它不适合用于对二要素信息（如姓名和身份证）进行加密保存。

在此情况下，需要选择真正的加密算法来实现数据的加密存储与解密。

加密算法分类

1. 对称加密算法：

   • 对称加密算法依赖于一个相同的密钥，既用于加密，也用于解密。常见的对称加密算法包括AES、DES、3DES等。
   • 在通信场景中，加密方和解密方必须事先共享密钥，双方才能进行加密和解密。密钥的共享过程是该加密方式的关键挑战之一，因为如果密钥在传输过程中被窃取或泄露，加密数据就容易被解密，安全性将大打折扣。
   • 优点：对称加密的主要优势在于加密和解密的速度非常快，特别适合需要高效处理大量数据的场景。
   • 缺点：密钥分发的安全性是对称加密的主要隐患。如果在通信中，密钥传输不当导致泄露，攻击者可以利用该密钥轻松解密数据。

2. 非对称加密算法：

   • 非对称加密算法由一对密钥构成，分别为公钥（加密密钥）和私钥（解密密钥）。常见的非对称加密算法有RSA、DSA等。
   • 公钥可以任意公开，而私钥必须保持私密。使用公钥加密的数据只能由对应的私钥解密。因此，通信双方只需共享公钥即可，无需直接传输私钥，从而避免了密钥泄露的问题。
   • 优点：非对称加密解决了密钥分发的安全性问题，适合用在双方未建立密钥共享机制的场景。
   • 缺点：加密和解密的速度相对较慢，特别是在处理大数据量时性能不足。

场景选择

在需要加密保存二要素信息的场景下，加密和解密都是由同一个服务端程序执行，双方并不需要通过网络传输密钥，因此密钥分发的安全性问题不是关键点。相对而言，对称加密算法具有速度快、效率高的优势，更适合在服务端加密存储二要素数据。

因此，尽管非对称加密在解决密钥传输安全性上有独特优势，但在保存敏感数据的场景中，采用对称加密算法（如AES-CBC或AES-CTR模式）更为合适。

算法选择

对称加密常用算法有 DES、3DES 和 AES。

• DES 已被证明不安全，破解时间很短，不推荐使用。
• 3DES 通过三次 DES 串联调用解决了 DES 的安全性问题，但速度较慢，也不推荐使用。
• AES 是目前公认安全且高效的算法，采用 Rijndael 作为标准。

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AES 是目前较为主流的对称加密算法，兼具高安全性和高性能。AES 是由 NIST 选拔出的 Rijndael 算法作为标准，支持分组加密模式。AES 每次处理 128 位明文，生成相应的 128 位密文。对于较长的明文，需要通过分组迭代加密。

AES - ECB 模式 (不推荐)

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";@GetMapping("ecb")public void ecb() throws Exception {Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/NoPadding");test(cipher, null);}private static SecretKeySpec setKey(String secret) {return new SecretKeySpec(secret.getBytes(), "AES");}private static void test(Cipher cipher, AlgorithmParameterSpec parameterSpec) throws Exception {cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, setKey(KEY), parameterSpec);System.out.println("一次：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal("abcdefghijklmnop".getBytes())));System.out.println("两次：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal("abcdefghijklmnopabcdefghijklmnop".getBytes())));byte[] sender = "1000000000012345".getBytes();byte[] receiver = "1000000000034567".getBytes();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)));byte[] result = cipher.doFinal(ByteUtils.concatAll(sender, receiver, money));//加密三个数据System.out.println("完整数据：" + Hex.encodeHexString(result));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

一次：a6025aaadd429e8c13073fc3512a7250
两次：a6025aaadd429e8c13073fc3512a7250a6025aaadd429e8c13073fc3512a7250
发送方账号：fdfc03515d95e2fa33edc9ca67cf43ae
接收方账号：e70eecf4baa8decf117d294e12d850c0
金额：f317ed23783f4babb607bd88ba076d0c
完整数据：fdfc03515d95e2fa33edc9ca67cf43aee70eecf4baa8decf117d294e12d850c0f317ed23783f4babb607bd88ba076d0c
原始明文：100000000001234510000000000345670000000010000000
操纵密文：100000000003456710000000000123450000000010000000

如上代码示例展示了 ECB 模式的漏洞，攻击者可以在不解密的情况下操纵密文，实现对敏感数据（如银行转账信息）的修改。 -----> 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

原始明文：100000000001234510000000000345670000000010000000
操纵密文：100000000003456710000000000123450000000010000000

代码运行的结果证明了：

• 重复的明文生成相同的密文。

• 攻击者可以通过调换密文分组的顺序，达到修改明文数据的效果。

• 重复性问题：如果明文中有重复的分组，密文中也会出现重复，这会暴露明文的模式，存在规律性。

• 独立分组问题：每个分组独立加密和解密，攻击者可以通过交换密文分组的顺序来操控明文内容。

因此，ECB 模式简单但不安全，不推荐使用。

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AES - CBC 模式 (推荐)

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.

把之前的代码修改为 CBC 模式，再次进行测试

 private static final String initVector = "abcdefghijklmnop";@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。

一次：6fa7a7b2c0979abecc1b59fe17b663c6
两次：6fa7a7b2c0979abecc1b59fe17b663c6e873cb4abb4b46b76cb748447373103c
发送方账号：ff4f74de614be6905951fa2ac68a529a
接收方账号：0dfdd3116d26dac4a7349167dfa0ce0a
金额：5521773b79160a1a51b9d8f8bfb0a346
完整数据：ff4f74de614be6905951fa2ac68a529abb54065906129619b122c978541f0076347086b16d09934e4f9d9dc4ab942af0
原始明文：100000000001234510000000000345670000000010000000
SD�A�x�%B[3t+B�Wi@��Cb��b�

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GCM（Galois/Counter Mode）

AES-256-GCM简介

GCM（Galois/Counter Mode）是一种结合计数器模式（Counter Mode）和Galois域认证的分组加密模式。它不仅能够提供高效的加密服务，还能实现消息认证（即验证消息的完整性和真实性）。与传统的CBC模式不同，GCM模式可以并行处理，极大提升了性能，特别适合高吞吐量的环境。

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。

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AES-256-GCM工作原理

AES-256-GCM结合了AES-256加密算法和GCM模式，具备如下功能：

• 加密：数据通过AES-256加密算法被加密。
• 消息认证码（MAC）：在加密的同时，GCM模式会生成一个128位的消息认证码，用于验证数据的完整性和真实性。这一特性可以防止数据被篡改。
• 附加数据：GCM支持附加认证数据（AAD），这部分数据不会被加密，但会被用于认证。例如，网络协议中的头部信息可以作为AAD进行保护。

安全优势

相较于其他常见的模式，如CBC（Cipher Block Chaining），AES-256-GCM提供了显著的优势：

• 并行处理：GCM模式允许多线程并行处理，加速了加密和解密过程，非常适合高性能需求的场景。
• 集成认证：GCM不仅加密数据，还生成认证标签，保证数据的完整性和真实性。相比之下，像CBC这样的模式需要单独实现消息认证。
• 防御重放攻击：GCM模式通过计数器的设计，有效防止了重放攻击和其他类似的攻击手段。

应用场景

AES-256-GCM的广泛应用场景包括：

• TLS/SSL加密：TLS 1.3推荐使用AES-GCM模式进行数据加密，以确保网络通信的安全性。
• VPN：许多VPN协议（如IPSec）使用AES-256-GCM进行数据传输加密。
• 云存储加密：云服务供应商在存储敏感数据时经常采用AES-256-GCM，以确保数据的安全性和完整性。

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其他模式 和 敏感数据加密建议

除了 ECB 模式外，AES 还有 CBC、CFB、OFB 和 CTR 模式。推荐使用 CBC 或 CTR 模式。ECB 和 CBC 模式需要设置合适的填充方式来处理超过一个分组的数据。

此外，对于敏感数据加密，建议：

1. 不要在代码中写死密钥或初始化向量（IV），应确保密钥和 IV 唯一、独立、且每次都变化。
2. 使用独立的加密服务来管理密钥，避免将密钥与密文存储在同一个数据库中，确保加密服务有严格的管控标准。
3. 数据库中不应保存明文敏感信息，可以存储脱敏数据，并在普通查询时使用脱敏信息。

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Code

接下来，我们按照如上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

import lombok.Data;import javax.persistence.Entity;
import javax.persistence.Id;@Data
@Entity
public class UserData {@Idprivate Long id;private String idcard;//脱敏的身份证private Long idcardCipherId;//身份证加密IDprivate String idcardCipherText;//身份证密文private String name;//脱敏的姓名private Long nameCipherId;//姓名加密IDprivate 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.

import lombok.Data;import javax.persistence.Entity;
import javax.persistence.GeneratedValue;
import javax.persistence.Id;import static javax.persistence.GenerationType.AUTO;@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
}

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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

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。

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Service;
import org.springframework.util.StringUtils;import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.GCMParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;@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;@Autowiredprivate 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aadif (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aadif (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("AES");//生成密钥keyGenerator.init(AES_KEY_SIZE);SecretKey key = keyGenerator.generateKey();//IV数据byte[] iv = new byte[GCM_IV_LENGTH];//随机生成IVSecureRandom random = new SecureRandom();random.nextBytes(iv);//处理aadbyte[] aaddata = null;if (!StringUtils.isEmpty(aad))aaddata = aad.getBytes();//获得密文encryptResult.setCipherText(Base64.getEncoder().encodeToString(doEncrypt(data.getBytes(), key, iv, aaddata)));//加密上下文数据CipherData cipherData = new CipherData();//保存IVcipherData.setIv(Base64.getEncoder().encodeToString(iv));//保存密钥cipherData.setSecureKey(Base64.getEncoder().encodeToString(key.getEncoded()));cipherRepository.save(cipherData);//返回本地加密IDencryptResult.setId(cipherData.getId());return encryptResult;}//解密入口public String decrypt(long cipherId, String cipherText, String aad) throws Exception {//使用加密ID找到加密上下文数据CipherData cipherData = cipherRepository.findById(cipherId).orElseThrow(() -> new IllegalArgumentException("invlaid cipherId"));//加载密钥byte[] decodedKey = Base64.getDecoder().decode(cipherData.getSecureKey());//初始化密钥SecretKey originalKey = new SecretKeySpec(decodedKey, 0, decodedKey.length, "AES");//加载IVbyte[] decodedIv = Base64.getDecoder().decode(cipherData.getIv());//处理aadbyte[] aaddata = null;if (!StringUtils.isEmpty(aad))aaddata = aad.getBytes();//解密return doDecrypt(Base64.getDecoder().decode(cipherText.getBytes()), originalKey, decodedIv, aaddata);}
}

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第四步，分别实现加密和解密接口用于测试。

可以让用户选择，如果需要保护二要素的话，就自己输入一个查询密码作为 AAD。系统需要读取用户敏感信息的时候，还需要用户提供这个密码，否则无法解密。这样一来，即使黑客拿到了用户数据库的密文、加密服务的密钥和 IV，也会因为缺少 AAD 无法解密.

 @Autowiredprivate CipherService cipherService;// 加密 @GetMapping("right")public UserData right(@RequestParam(value = "name", defaultValue = "小工匠") String name,@RequestParam(value = "idcard", defaultValue = "300000000000001234") String idCard,@RequestParam(value = "aad", required = false) String aad) throws Exception {UserData userData = new UserData();userData.setId(1L);//脱敏姓名userData.setName(chineseName(name));//脱敏身份证userData.setIdcard(idCard(idCard));//加密姓名CipherResult cipherResultName = cipherService.encrypt(name, aad);userData.setNameCipherId(cipherResultName.getId());userData.setNameCipherText(cipherResultName.getCipherText());//加密身份证CipherResult cipherResultIdCard = cipherService.encrypt(idCard, aad);userData.setIdcardCipherId(cipherResultIdCard.getId());userData.setIdcardCipherText(cipherResultIdCard.getCipherText());return userRepository.save(userData);}// 解密 @GetMapping("read")public void read(@RequestParam(value = "aad", required = false) String aad) throws Exception {UserData userData = userRepository.findById(1L).get();log.info("name : {} idcard : {}",cipherService.decrypt(userData.getNameCipherId(), userData.getNameCipherText(), aad),cipherService.decrypt(userData.getIdcardCipherId(), userData.getIdcardCipherText(), aad));}// 脱敏身份证private static String idCard(String idCard) {String num = StringUtils.right(idCard, 4);return StringUtils.leftPad(num, StringUtils.length(idCard), "*");}// 脱敏姓名public static String chineseName(String chineseName) {String name = StringUtils.left(chineseName, 1);return StringUtils.rightPad(name, StringUtils.length(chineseName), "*");}

启动服务，访问 http://localhost:45678/storeidcard/right

访问解密接口： http://localhost:45678/storeidcard/read

如果AAD错误

经过这样的设计，二要素就比较安全了。黑客要查询用户二要素的话，需要同时拿到密文、IV+ 密钥、AAD。而这三者可能由三方掌管，要全部拿到比较困难。