在 Java 中使用 Blowfish 加密算法

2024-03-14

1、概览

Blowfish 加密算法最初是作为 DES 加密算法的替代方案而设计的，是当今最流行的加密算法之一。Blowfish 是一种对称的分组加密算法，由 Bruce Schneier 于 1993 年设计。该算法的块大小为 64 位，密钥长度为 446 位，优于 DES 和 3DES 算法。

本文将带你了解如何使用 Java Cryptography Architecture（JCA）中提供的 Blowfish 算法实现加密和解密。

2、生成密钥

由于 Blowfish 是一种对称加密算法，它在加密和解密过程中使用相同的密钥。所以，接下来我们要创建一个密钥来加密文本。这个密钥应该被安全地保存，不应该在公共场合分享。

定义密钥：

// 定义密钥
String secretKey = "MyKey123";
byte[] keyData = secretKey.getBytes();

//使用 Blowfish 算法创建 SecretKeySpec
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(keyData, "Blowfish");

接下来，就可以通过加密模式构建 Cipher 了：

// 使用 Blowfish 算法创建 Cipher
Cipher cipher = Cipher.getInstance("Blowfish");

然后，使用加密模式（Cipher.ENCRYPT_MODE）初始化 cipher，并指定 Secret Key：

// 使用 Secret Key 在加密模式下初始化 cipher
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec);

3、加密字符串

来看看如何使用 Blowfish cipher 和 Secret Key 来加密字符串：

// 要加密的字符串
String secretMessage = "Secret message to encrypt";

// 加密字符串
byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(secretMessage.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

如你所见，该 Cipher 以字节数组的形式返回了加密信息。如果你想将其存储到数据库中或通过 REST API 发送加密后的消息，使用 Base64 编码会更合适、更安全：

// 编码为 Base64
String encryptedtext = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);

最后，得到了 Base64 编码的密文。

4、解密字符串

使用 Blowfish 算法解密字符串也同样简单。

首先，需要用解密模式（Cipher.DECRYPT_MODE）和 SecretKeySpec 初始化 Cipher：

// 创建 Blowfish Cipher
Cipher cipher = Cipher.getInstance("Blowfish");
// 使用 DECRYPT_MODE 和 SecretKeySpec 进行初始化
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec);

接下来，使用用这个 cipher 来解密消息：

// decode using Base64 and decrypt the message
byte[] decrypted = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedtext));
// convert the decrypted bytes to String
String decryptedString = new String(decrypted, StandardCharsets.UTF_8);

最后，可以通过将结果与原始值进行比较来验证加密、解密是否成功：

Assertions.assertEquals(secretMessage, decrypedText);

在本例的加密和解密过程中，都使用了 StandardCharsets.UTF_8 字符集。这样，就可以确保加密或解密总是将包含格式错误和无法映射的字符序列的输入文本替换为 UTF-8 字符集的替换字节数组。

5、处理文件

有时，我们可能需要加密或解密整个文件，而不是单个字符串。Blowfish 加密算法允许对整个文件进行加密和解密。

首先，创建一个包含一些示例内容的临时文件：

String originalContent = "some secret text file";
Path tempFile = Files.createTempFile("temp", "txt");
writeFile(tempFile, originalContent);

接下来，将内容转换为字节数组：

byte[] fileBytes = Files.readAllBytes(tempFile);

现在，可以使用 cipher 对整个文件进行加密：

Cipher encryptCipher = Cipher.getInstance("Blowfish");
encryptCipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec);
byte[] encryptedFileBytes = encryptCipher.doFinal(fileBytes);

最后，可以覆盖临时文件中的加密内容：

try (FileOutputStream stream = new FileOutputStream(tempFile.toFile())) {
    stream.write(encryptedFileBytes);
}

解密整个文件的过程与此类似。唯一的区别是要改变加密模式才能进行解密：

encryptedFileBytes = Files.readAllBytes(tempFile);
Cipher decryptCipher = Cipher.getInstance("Blowfish");
decryptCipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec);
byte[] decryptedFileBytes = decryptCipher.doFinal(encryptedFileBytes);
try (FileOutputStream stream = new FileOutputStream(tempFile.toFile())) {
    stream.write(decryptedFileBytes);
}

最后，可以验证文件内容是否与原始值一致：

String fileContent = readFile(tempFile);
Assertions.assertEquals(originalContent, fileContent);

6、弱点和后继者

Blowfish 是首批不受专利限制的安全加密算法之一，可免费供公众使用。虽然 Blowfish 算法在加密速度方面优于 DES 和 3DES 算法，但由于其固有的设计，它也有一些局限性。

Blowfish 算法使用 64 位数据块大小，而 AES 算法使用 128 位数据块大小。因此，它很容易受到生日攻击，特别是在 HTTPS 环境中。攻击者已经证明，他们可以利用 64 位块大小的密码进行明文恢复（通过解密密文）。此外，由于块大小较小，GnuPG 等开源项目建议不要使用 Blowfish 算法加密超过 4 GB 的文件。

更换新的秘密密钥会减慢过程。例如，每个新密钥需要进行预处理，并占用约 4 KB 的文本，与其他分组密码相比速度较慢。

布鲁斯-施奈尔（Bruce Schneier）建议改用其 Blowfish 算法的后继者 Twofish 加密算法，该算法的加密块大小为 128 位。它还拥有免费许可证，可供公众使用。

在 2005 年，Blowfish II发布了，它是由 Bruce Schneier 之外的人员开发的。Blowfish II 具有相同的设计，但具有两倍于 Blowfish 的 S 表，并且使用 64 位整数而不是 32 位整数。此外，它与 AES 算法一样，适用于 128 位块。

高级加密标准（AES）是一种流行且广泛使用的对称密钥加密算法。AES 支持 128、192 和 256 位等不同长度的密钥来加密和解密数据。不过，它的数据块大小固定为 128 位。

7、总结

本文介绍了如何在 Java 中使用 Blowfish 加密算法加密和解密字符串，以及 Blowfish 算法的弱点和各种后继算法。

Ref：https://www.baeldung.com/java-jca-blowfish-implementation