DESede演算法詳解

一、概述

3DES，即3重DES（Triple DES），也稱為DESede，是一種對稱密鑰加密演算法。DESede是通過對每個數據塊應用三次DES加密演算法來實現加密。由於DESede採用了多次加密的方法，因此演算法更為安全，在現今網路通信安全中廣泛應用。

二、原理

DESede的加密過程主要分為三個步驟：密鑰的生成、加密和解密。

1. 密鑰的生成

DESede演算法使用長度為24個位元組的密鑰，其中包含3個單獨的8位元組密鑰K1, K2, K3。密鑰生成的過程如下：

private static byte[][] generateKey(byte[] key) throws Exception {
    byte[][] keys = new byte[3][8];
    byte[] keyBytes = paddingKey(key);
    DESedeKeySpec desKeySpec = new DESedeKeySpec(keyBytes);
    SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
    SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(desKeySpec);
    byte[] secretKeyBytes = secretKey.getEncoded();
    System.arraycopy(secretKeyBytes, 0, keys[0], 0, 8);
    System.arraycopy(secretKeyBytes, 8, keys[1], 0, 8);
    System.arraycopy(secretKeyBytes, 16, keys[2], 0, 8);
    return keys;
}

2. 加密

加密是指將明文經過一定的方法轉換為密文，使得第三方無法直接讀取到明文。在DESede演算法中，加密分為兩個步驟：DES加密和反向DES加密。

（1）DES加密

首先將明文輸入到第一輪DES加密中，使用密鑰K1加密。得到的結果作為第二輪DES加密的明文，使用密鑰K2加密。得到的結果作為第三輪DES加密的明文，使用密鑰K3加密。加密過程如下：

private static byte[] encrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
    byte[][] keys = generateKey(key);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede");
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(keys[0], "DESede"));
    byte[] encrypted = cipher.doFinal(data);
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(keys[1], "DESede"));
    byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(keys[2], "DESede"));
    return cipher.doFinal(decrypted);
}

（2）反向DES加密

DESede演算法採用了反向DES加密方式，即解密與加密使用的密鑰相反。這樣做的目的是增強演算法的安全性。

3. 解密

解密是指將密文經過一定的方法還原為明文。DESede的解密過程與加密過程剛好相反，主要由反向DES加密和DES解密兩部分組成。具體可參考DESede的加密過程。

三、應用

DESede演算法的應用非常廣泛，可以用於文件加密、數據傳輸加密以及數字簽名等場景。在Java中，DESede演算法可以通過Java Cryptography Extension (JCE) 來實現。以下是一個簡單的DESede加解密示例：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESedeKeySpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.MessageDigest;
import java.util.Base64;

public class DESedeDemo {

    private static final String KEY = "my_key";

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String data = "hello world";
        String encrypted = encrypt(data, KEY);
        System.out.println(encrypted);
        String decrypted = decrypt(encrypted, KEY);
        System.out.println(decrypted);
    }

    private static byte[][] generateKey(byte[] key) throws Exception {
        byte[][] keys = new byte[3][8];
        byte[] keyBytes = paddingKey(key);
        DESedeKeySpec desKeySpec = new DESedeKeySpec(keyBytes);
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
        SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(desKeySpec);
        byte[] secretKeyBytes = secretKey.getEncoded();
        System.arraycopy(secretKeyBytes, 0, keys[0], 0, 8);
        System.arraycopy(secretKeyBytes, 8, keys[1], 0, 8);
        System.arraycopy(secretKeyBytes, 16, keys[2], 0, 8);
        return keys;
    }

    private static byte[] paddingKey(byte[] key) throws Exception {
        MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
        byte[] md5Bytes = md5.digest(key);
        byte[] keyBytes = new byte[24];
        if (md5Bytes.length < 24) {
            System.arraycopy(md5Bytes, 0, keyBytes, 0, md5Bytes.length);
        } else {
            System.arraycopy(md5Bytes, 0, keyBytes, 0, 24);
        }
        return keyBytes;
    }

    private static String encrypt(String data, String key) throws Exception {
        byte[] dataBytes = data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        byte[] keyBytes = key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        byte[] encryptedBytes = encrypt(dataBytes, keyBytes);
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }

    private static byte[] encrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
        byte[][] keys = generateKey(key);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(keys[0], "DESede"));
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(data);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(keys[1], "DESede"));
        byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(keys[2], "DESede"));
        return cipher.doFinal(decrypted);
    }

    private static String decrypt(String encrypted, String key) throws Exception {
        byte[] encryptedBytes = Base64.getDecoder().decode(encrypted);
        byte[] keyBytes = key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        byte[] decryptedBytes = decrypt(encryptedBytes, keyBytes);
        return new String(decryptedBytes, StandardCharsets.UTF_8);
    }

    private static byte[] decrypt(byte[] encrypted, byte[] key) throws Exception {
        byte[][] keys = generateKey(key);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(keys[2], "DESede"));
        byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(keys[1], "DESede"));
        byte[] encrypted1 = cipher.doFinal(decrypted);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(keys[0], "DESede"));
        return cipher.doFinal(encrypted1);
    }

}

四、總結

DESede演算法是一種更為安全的對稱加密演算法，應用廣泛。在實現DESede演算法時，需要注意密鑰的生成、加密和解密的流程，以及採用反向DES加密方式增強演算法的安全性。