探索文件加解密
0. 前言
這篇文章主要介紹加密算法的另外一使用場景——文件加解密。事實上，已於 16 年實現過加密文件的功能並用於公司的項目中。確保安全的前提下，這次分享只介紹些簡單的加密方法和實現過程。更高級深刻的研究還請自行解決。git
前面介紹了常見的加解密算法和 Java 語言的實現，使用場景通常是在數據通訊領域的報文加密。還記的 Alice 與 Bob 這對 CP 組合麼？github
DES 、AES 算法將待加密的數據進行分塊，以 8 字節、16 字節等其餘劃分方式進行分塊加密操做最後合併成須要的明文。 RSA 算法建議只針對少許數據進行加密。當加密趕上文件時，只有對稱加密算法更加適合。算法
1. 分析
文件加解密有三種使用場景，實現加密文件的難度遞增。安全
- 將文件一次解密讀入內存或一次加密寫入硬盤。
- 邊讀文件邊解密或邊寫文件邊加密。
- 對文件進行隨機讀寫操做。
有三種加密方式可用：ide
- 線性變換，適用全部場景。
- 奇偶置換，適用於 1 和 2 ，勉強適用於 3 。
- 分塊加密，適用月 1，勉強適用於 2，很難適用於 3 。
後面 分別介紹三種方式及應用到不一樣場景中的代碼實現。函數
2. 線性變換
線性變換用於單字節處理，因此知足所有三種場景，能夠簡單地表示爲 y=f(x) ，x 表示加密前的字節，y 表示加密後的字節。加密算法取決於 f(x) 的實現方式。最簡單的如：f(x)=(x+1)%256 ，破解的難度取決於函數 f(x) 的複雜度。this
/** * 線性變換加密方式 */
public class LinearChage {
/** * 逐個字節處理 * * @param b * @return */
public byte encrypt(byte b) {
return (byte) (b + 100);
}
/** * 逐個字節處理 * * @param b * @return */
public byte decrypt(byte b) {
return (byte) (b - 100);
}
}
複製代碼
重寫相關的讀文件流中 read 方法。加密
@Override
public int read() throws IOException {
// 字節線性變換加密方式
int b = super.read();
if (b < 0) // 讀到結尾，不處理
return b;
b = linearChage.decrypt((byte) b);
return b;
}
@Override
public int read(byte[] b) throws IOException {
return this.read(b, 0, b.length);
}
@Override
public int read(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
// 字節線性變換加密方式
int length = super.read(b, off, len);
if (length <=0) // 讀到結尾或讀完，不處理。
return length;
for (int i = off; i < off + length; i++) {
b[i] = linearChage.decrypt(b[i]);
}
return length;
}
複製代碼
重寫相關的讀文件流中 write 方法。spa
@Override
public void write(int b) throws IOException {
// 字節線性變換加密方式
b = linearChage.encrypt((byte) b);
super.write(b);
}
@Override
public void write(byte[] b) throws IOException {
// 同帶 off 的方法一塊兒處理
this.write(b, 0, b.length);
}
@Override
public void write(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
// 字節線性變換加密方式
for (int i = off; i < off + len; i++) {
b[i] = linearChage.encrypt(b[i]);
}
super.write(b, off, len);
}
複製代碼
3. 奇偶置換
奇偶置換用於交換相鄰兩個字節，好比，置換前是 「ab」，置換後是 「ba」，這種方式最大的弱點就是很容易被破解。所以建議同線性變換方式結合使用。勉強適用於 3 主要是由於，每次隨機讀寫的位置不必定是奇數位。code
/** * 奇偶位置換加密方式。 * 加密、解密代碼一致。 */
public class OddExchange {
/** * 記錄遺留字節內容 */
private byte left;
/** * 記錄是否有遺留字節 */
private boolean hasLeft;
.... getter setter方法
/** * 加密交換 * * @param data */
public void encrypt(byte[] data, int off, int len) {
for (int i = off; i < off + len; i += 2) {
byte t = data[i];
data[i] = data[i + 1];
data[i + 1] = t;
}
}
/** * 解密交換 * @param data * @param off * @param len */
public void decrypt(byte[] data, int off, int len) {
for (int i = off; i < off + len; i += 2) {
byte t = data[i];
data[i] = data[i + 1];
data[i + 1] = t;
}
}
}
複製代碼
重寫相關的讀文件流中 read 方法。
@Override
public int read() throws IOException {
if (oddExchange.isHasLeft()) {
oddExchange.setHasLeft(false);
int b = oddExchange.getLeft();
return b > 0 ? b : b + 256;
} else { // 沒有剩餘字節，須要讀取兩次
int b = super.read();
if (b < 0) // 讀到結尾，不處理
return b;
int next = super.read();
if (next < 0) // 已經是最後一個字節
return b;
byte[] data = new byte[2];
data[0] = (byte) b;
data[1] = (byte) next;
oddExchange.decrypt(data, 0, data.length);
oddExchange.setHasLeft(true);
oddExchange.setLeft(data[1]);
return data[0] > 0 ? data[0] : (data[0] + 256);
}
}
@Override
public int read(byte[] b) throws IOException {
return this.read(b, 0, b.length);
}
@Override
public int read(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
if (len % 2 == 0) { // 但願讀取偶數長度
int length = super.read(b, off, len);
oddExchange.decrypt(b, off, length);
if (oddExchange.isHasLeft()) { // 有剩餘位
byte t = b[off + length - 1];
for (int i = off + length - 1; i > off; i--)
b[i] = b[i - 1];
b[off] = oddExchange.getLeft();
oddExchange.setLeft(t);
}
return length;
} else { // 但願讀取奇數長度
if (oddExchange.isHasLeft()) { // 有剩餘位少讀 1 字節
int length = super.read(b, off, len - 1);
oddExchange.decrypt(b, off, length);
for (int i = length; i > off; i--) {
b[i] = b[i - 1];
}
b[off] = oddExchange.getLeft();
oddExchange.setHasLeft(false);
return length + 1;
} else { // 沒有剩餘位，多讀一字節
byte[] buff = new byte[len + 1]; // 存在越界的可能，因此new一個
int length = super.read(buff);
oddExchange.decrypt(buff, 0, length);
for (int i = 0; i < length - 1; i++) {
b[i + off] = buff[i];
}
oddExchange.setLeft(buff[length - 1]);
oddExchange.setHasLeft(true);
return length - 1;
}
}
}
複製代碼
重寫相關的讀文件流中 write 方法。注意，關閉文件流時，須要將未寫入的字節補寫。
@Override
public void write(int b) throws IOException {
if (oddExchange.isHasLeft()) {// 有剩餘的字節
byte[] data = new byte[2];
data[0] = oddExchange.getLeft();
data[1] = (byte) b;
oddExchange.setHasLeft(false);
oddExchange.encrypt(data, 0, 2);
super.write(data[0]);
super.write(data[1]);
} else { // 沒有剩餘字節，留做下次一道處理
oddExchange.setLeft((byte) b);
oddExchange.setHasLeft(true);
}
}
@Override
public void write(byte[] b) throws IOException {
// 同帶 off 的方法一塊兒處理
this.write(b, 0, b.length);
}
@Override
public void write(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
if (len % 2 == 0) { // 偶數長度
if (oddExchange.isHasLeft()) { // 有剩餘字節
byte t = oddExchange.getLeft();
oddExchange.setLeft(b[off + len - 1]);
for (int i = off + len - 1; i > off ; i--) {
b[i] = b[i - 1];
}
b[off] = t;
}
oddExchange.encrypt(b, off, len);
super.write(b, off, len);
} else { // 奇數長度
if (oddExchange.isHasLeft()) { // 有剩餘字節,須要同剩餘字節拼接成偶數長度
byte[] dest = new byte[off + len + 1];
dest[off] = oddExchange.getLeft();
oddExchange.setHasLeft(false);
for (int i = off; i < off + len; i++) {
dest[i + 1] = b[i];
}
oddExchange.encrypt(dest, off, len+1);
super.write(dest, off, len+1);
} else { // 沒有剩餘字節，保留一個剩餘字節
oddExchange.encrypt(b, off, len - 1);
oddExchange.setLeft(b[off + len - 1]);
oddExchange.setHasLeft(true);
super.write(b, off, len - 1);
}
}
}
@Override
public void close() throws IOException {
// 關閉流的時候檢查是否有剩餘字節未寫入
if (oddExchange.isHasLeft()) {
write(oddExchange.getLeft());
oddExchange.setHasLeft(false);
}
super.close();
}
複製代碼
4. 分塊加密
其實奇偶置換也是分塊加密的一種特殊場景——塊長等於 2 。所以只須要考慮到當前讀寫到是偶數位仍是奇數位。熟悉的對稱加密算法中，最短的分塊長度是 8 。用於場景 1 不用多作考慮，場景 2 須要考慮以前已經讀寫的長度，若不是 8 的整數倍，須要特殊處理。至於場景 3 ，若您的生物 CPU 很強大，建議嘗試下。
並且，使用分塊加密不要使用 8 的整數倍塊長，（不必定是 8 ，主要取決於你加密算法的塊長），在使用不恰當的填充模式時，8 的整數倍塊長加密後的數據會多 8 字節，加密前文件大小是 1M ，加密後就極可能變成 2M , 通常不被接受哈。
該方案實現起來較爲複雜，暫不提供代碼解釋。
以爲有用？那打賞一個唄。我要打賞
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