GCM模式詳解

一、GCM模式是什麼意思

GCM(Galois/Counter Mode)模式是一種高效的對稱加密模式，它是在CTR模式的基礎上，通過加入GMAC (Galois Message Authentication Code)演算法實現的。GCM模式可以同時提供加密和認證的功能，而且能夠並行處理數據塊，具有較高的加密速度和較低的資源消耗。

二、GCM模式提供認證

GCM模式不僅提供加密功能，還提供了認證的功能。在進行加密的同時，它計算出一個MAC值(認證碼)，保證了數據的完整性和可靠性。這個MAC值是通過GMAC演算法計算得出的，需要在加密過程中使用到一個密鑰。因此，GCM模式需要一個加密密鑰和一個GMAC密鑰，分別用於加密和認證。

三、GCM模式 IV可預測

GCM模式使用的IV (Initialization Vector)可以被預測，因此需要每個IV值僅被使用一次，避免IV值重複。這個問題可以通過使用隨機數生成器來解決。由於隨機數生成器可以產生高質量的隨機數，因此可以保證每個IV值都是唯一的，不會被重複使用。

四、GCM模式可以填充嗎

GCM模式不是塊密碼模式，因此不需要填充。GCM模式中的加密演算法是基於CTR模式實現的，CTR模式不需要填充，因為無論明文是多少，加密的數據都是同樣長度的。因此，在使用GCM模式進行加密時，不需要考慮填充的問題。

五、GCM模式提供附加消息

GCM模式提供了一種機制，可以在加密的過程中，將額外的信息一同加密。這些額外的信息被稱為附加消息(AAD, Additional Authentication Data)，它們不會被加密，而是被參與了MAC值的計算，從而保證了數據的完整性和可靠性。附加消息可以包含認證信息、版本號、發送者和接收者的ID等。

六、GCMS的SIM模式

GCMS模式是GCM模式的變種，它是專門針對被稱為SIM卡的小型晶元的安全通訊設計的一種GCM模式。這種模式主要用於移動設備與SIM卡之間的通信，具有極高的安全性和效率。

七、AES GCM模式

AES GCM模式是將AES演算法與GCM模式相結合的一種加密方式，它使用AES演算法進行數據加密，同時結合GCM模式進行認證。AES GCM模式具有高效、安全的特點，被廣泛應用於網路安全、信息安全領域。

八、GCM全稱

GCM的全稱是Galois/Counter Mode，它是一種高效的對稱加密模式，在加密和認證能力方面都具有很高的性能。由於GCM模式可以同時進行加密和認證，因此被廣泛應用於網路通信、文件傳輸、資料庫安全等領域。

代碼示例

// 使用GCM模式加密數據
// key: 加密密鑰
// gmacKey: GMAC密鑰
// iv: 初始化向量
// data: 明文數據
// aad: 附加消息
// 返回值: 加密後的數據和認證碼

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.GCMParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] gmacKey, byte[] iv, byte[] data, byte[] aad) throws Exception {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
    SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
    GCMParameterSpec gcmSpec = new GCMParameterSpec(128, iv);

    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, gcmSpec);
    cipher.updateAAD(aad);

    byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data);
    byte[] gmac = generateGmac(gmacKey, iv, aad, encryptedData);  // 生成GMAC認證碼

    ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
    outputStream.write(encryptedData);
    outputStream.write(gmac);

    return outputStream.toByteArray();
}

// 生成GMAC認證碼
// gmacKey: GMAC密鑰
// iv: 初始化向量
// aad: 附加消息
// encryptedData: 加密後的數據
// 返回值: GMAC認證碼

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

public static byte[] generateGmac(byte[] gmacKey, byte[] iv, byte[] aad, byte[] encryptedData) throws Exception {
    Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
    SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(gmacKey, "HmacSHA256");
    mac.init(keySpec);

    ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
    outputStream.write(iv);
    outputStream.write(aad);
    outputStream.write(encryptedData);

    byte[] input = outputStream.toByteArray();
    byte[] gmac = mac.doFinal(input);
    return Arrays.copyOfRange(gmac, 0, 16);
}