Java 11 – ChaCha20-Poly1305加密示例

- 日理万妓 2023-02-15 01:28 4阅读 0赞

本文向您展示如何使用[RFC 7539中][RFC 7539]定义的`ChaCha20-Poly1305`算法对消息进行加密和解密。

*PS `ChaCha20-Poly1305`加密算法可从Java 11获得。*

## 1.常见问题 ##

一些常见问题：

1.1什么是`ChaCha20-Poly1305` ？  
`ChaCha20-Poly1305`表示使用`Poly1305`身份验证器以AEAD模式运行的`ChaCha20` （加密和解密算法）。

1.2什么是AE或AEAD？  
[认证加密（AE）][AE]和带有关联数据的认证加密（AEAD）是一种加密消息并一起认证加密的形式。

1.3认证加密意味着什么？  
确保没有人修改密文（加密的消息），它的工作方式类似于验证文件的SHA或MD5哈希。 `Poly1305`生成一个`MAC` （消息验证码）（128位，16字节），并将其附加到`ChaCha20`密文（加密的文本）中。 在解密过程中，该算法检查MAC以确保没有人修改密文。

1.4 `ChaCha20-Poly1305`如何工作？  
`ChaCha20`加密使用密钥和IV（初始化值，nonce）将明文加密为**等长**的密文。 Poly1305生成一个MAC（消息认证码）并将其附加到密文中。 **最后，密文和明文的长度不同。**

1.5我可以将同一随机数重用于不同的密钥吗？  
不可以，每个加密的随机数和密钥都必须是唯一的，否则密文会妥协！

> **注意**  
> 如果我们不需要额外的身份验证（poly1305）功能，请考虑仅使用`ChaCha20`加密消息，请参阅此Java 11 – ChaCha20流密码示例

## 1. ChaCha20-Poly1305 ##

本示例使用`ChaCha20-Poly1305`加密和解密消息。 此外，我们手动将随机数附加到最终的加密文本上，以便在解密期间无需提供随机数。 随机数可以公开，但密钥必须是私有的。

`ChaCha20-Poly1305`的输入为：

*  256位密钥（32字节）
 *  96位随机数（12个字节）

*PS对于`ChaCha20-Poly1305` ，我们不需要定义初始计数器值。* *它从1开始。*

ChaCha20Poly1305.java

package com.mkyong.java11.jep329.poly1305;
    
    import javax.crypto.Cipher;
    import javax.crypto.SecretKey;
    import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.security.SecureRandom;
    
    public class ChaCha20Poly1305 {
    
        private static final String ENCRYPT_ALGO = "ChaCha20-Poly1305";
        private static final int NONCE_LEN = 12; // 96 bits, 12 bytes
    
        // if no nonce, generate a random 12 bytes nonce
        public byte[] encrypt(byte[] pText, SecretKey key) throws Exception {
            return encrypt(pText, key, getNonce());
        }
    
        public byte[] encrypt(byte[] pText, SecretKey key, byte[] nonce) throws Exception {
    
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ENCRYPT_ALGO);
    
            // IV, initialization value with nonce
            IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(nonce);
    
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, iv);
    
            byte[] encryptedText = cipher.doFinal(pText);
    
            // append nonce to the encrypted text
            byte[] output = ByteBuffer.allocate(encryptedText.length + NONCE_LEN)
                    .put(encryptedText)
                    .put(nonce)
                    .array();
    
            return output;
        }
    
        public byte[] decrypt(byte[] cText, SecretKey key) throws Exception {
    
            ByteBuffer bb = ByteBuffer.wrap(cText);
    
            // split cText to get the appended nonce
            byte[] encryptedText = new byte[cText.length - NONCE_LEN];
            byte[] nonce = new byte[NONCE_LEN];
            bb.get(encryptedText);
            bb.get(nonce);
    
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ENCRYPT_ALGO);
    
            IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(nonce);
    
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, iv);
    
            // decrypted text
            byte[] output = cipher.doFinal(encryptedText);
    
            return output;
    
        }
    
        // 96-bit nonce (12 bytes)
        private static byte[] getNonce() {
            byte[] newNonce = new byte[12];
            new SecureRandom().nextBytes(newNonce);
            return newNonce;
        }
    
    }

## 2.测试一下。 ##

使用`ChaCha20-Poly1305`算法对消息进行加密和解密。

TestChaCha20Poly1305.java

package com.mkyong.java11.jep329.poly1305;
    
    import javax.crypto.KeyGenerator;
    import javax.crypto.SecretKey;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.security.NoSuchAlgorithmException;
    import java.security.SecureRandom;
    
    public class TestChaCha20Poly1305 {
    
      private static final int NONCE_LEN = 12;                    // 96 bits, 12 bytes
      private static final int MAC_LEN = 16;                      // 128 bits, 16 bytes
    
      public static void main(String[] args) throws Exception {
    
          String input = "Java & ChaCha20-Poly1305.";
    
          ChaCha20Poly1305 cipher = new ChaCha20Poly1305();
    
          SecretKey key = getKey();                               // 256-bit secret key (32 bytes)
    
          System.out.println("Input                  : " + input);
          System.out.println("Input             (hex): " + convertBytesToHex(input.getBytes()));
    
          System.out.println("\n---Encryption---");
          byte[] cText = cipher.encrypt(input.getBytes(), key);   // encrypt
    
          System.out.println("Key               (hex): " + convertBytesToHex(key.getEncoded()));
          System.out.println("Encrypted         (hex): " + convertBytesToHex(cText));
    
          System.out.println("\n---Print Mac and Nonce---");
    
          ByteBuffer bb = ByteBuffer.wrap(cText);
    
          // This cText contains chacha20 ciphertext + poly1305 MAC + nonce
    
          // ChaCha20 encrypted the plaintext into a ciphertext of equal length.
          byte[] originalCText = new byte[input.getBytes().length];
          byte[] nonce = new byte[NONCE_LEN];     // 16 bytes , 128 bits
          byte[] mac = new byte[MAC_LEN];         // 12 bytes , 96 bits
    
          bb.get(originalCText);
          bb.get(mac);
          bb.get(nonce);
    
          System.out.println("Cipher (original) (hex): " + convertBytesToHex(originalCText));
          System.out.println("MAC               (hex): " + convertBytesToHex(mac));
          System.out.println("Nonce             (hex): " + convertBytesToHex(nonce));
    
          System.out.println("\n---Decryption---");
          System.out.println("Input             (hex): " + convertBytesToHex(cText));
    
          byte[] pText = cipher.decrypt(cText, key);              // decrypt
    
          System.out.println("Key               (hex): " + convertBytesToHex(key.getEncoded()));
          System.out.println("Decrypted         (hex): " + convertBytesToHex(pText));
          System.out.println("Decrypted              : " + new String(pText));
    
      }
    
      // https://mkyong.com/java/java-how-to-convert-bytes-to-hex/
      private static String convertBytesToHex(byte[] bytes) {
          StringBuilder result = new StringBuilder();
          for (byte temp : bytes) {
              result.append(String.format("%02x", temp));
          }
          return result.toString();
      }
    
      // A 256-bit secret key (32 bytes)
      private static SecretKey getKey() throws NoSuchAlgorithmException {
          KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("ChaCha20");
          keyGen.init(256, SecureRandom.getInstanceStrong());
          return keyGen.generateKey();
      }
    
    }

输出量

Terminal

Input                  : Java & ChaCha20-Poly1305.
    Input             (hex): 4a61766120262043686143686132302d506f6c79313330352e
    
    ---Encryption---
    Key               (hex): 7b47d646547928f2ac962562d613bdac7db351893224c6c1b03adeb859da8251
    Encrypted         (hex): c04a463086c545d0053f8a279d50815aa9cb5db04da5ba0c4dc57e225f46074af793ccb81a15908a8fd15561deb55f01ef0d93932a
    
    ---Print Mac and Nonce---
    Cipher (original) (hex): c04a463086c545d0053f8a279d50815aa9cb5db04da5ba0c4d
    MAC               (hex): c57e225f46074af793ccb81a15908a8f
    Nonce             (hex): d15561deb55f01ef0d93932a
    
    ---Decryption---
    Input             (hex): c04a463086c545d0053f8a279d50815aa9cb5db04da5ba0c4dc57e225f46074af793ccb81a15908a8fd15561deb55f01ef0d93932a
    Key               (hex): 7b47d646547928f2ac962562d613bdac7db351893224c6c1b03adeb859da8251
    Decrypted         (hex): 4a61766120262043686143686132302d506f6c79313330352e
    Decrypted              : Java & ChaCha20-Poly1305.

## 下载源代码 ##

> $ git clone [https://github.com/mkyong/core-java.git][https_github.com_mkyong_core-java.git]
> 
> $ cd java-11
> 
> $ cd / src / main / java / com / mkyong / java11 / jep329

**注意**  
如果发现任何错误，请在下面发表评论，谢谢。

## 参考文献 ##

*  [ChaCha20][]
 *  [RFC 7539][]
 *  [维基百科– Authenticated\_encryption][AE]
 *  Java 11 – ChaCha20流密码示例

标签： [认证][Link 1] [chacha20][] [加密][Link 2] [加密][Link 3] [Java][]

> 翻译自: [https://mkyong.com/java/java-11-chacha20-poly1305-encryption-examples/][https_mkyong.com_java_java-11-chacha20-poly1305-encryption-examples]

[RFC 7539]: https://tools.ietf.org/html/rfc7539
[AE]: https://en.wikipedia.org/wiki/Authenticated_encryption
[https_github.com_mkyong_core-java.git]: https://github.com/mkyong/core-java.git
[ChaCha20]: https://en.wikipedia.org/wiki/Salsa20#ChaCha_variant
[Link 1]: https://mkyong.com/tag/authentication/
[chacha20]: https://mkyong.com/tag/chacha20/
[Link 2]: https://mkyong.com/tag/cryptography/
[Link 3]: https://mkyong.com/tag/encryption/
[Java]: https://mkyong.com/tag/java/
[https_mkyong.com_java_java-11-chacha20-poly1305-encryption-examples]: https://mkyong.com/java/java-11-chacha20-poly1305-encryption-examples/