H09 Determistische Verschlüsselung mit Tink und AAD-Daten mit einer Datei

Als ich auf der Google Tink-Projektseite auf Github von der „Determistischen Verschlüsselung“ gelesen hatte war mir klar – das hatte ich bislang noch nicht benutzt. Das Besondere an dieser Sonderform der symmetrischen Verschlüsselung ist, dass ein gleicher Plaintext bei demselben Schlüssel stets denselben Ciphertext ergibt, was zum Beispiel bei Datenbankanwendungen sinnvoll sein kann.

Da die Umstellung des „normalen“ symmetrischen Verfahrens auf die determistische Veriante aber nur ein paar Klicks bedeutete stelle ich diese Besonderheit hier vor.

Bitte beachtet, dass dieses Beispiel nur für Dateien bis zu einer Größe von 1 Megabyte genutzt werden sollte, da die gesamte (komplette) Datei in den Programmspeicher geladen wird, was insbesondere bei der späteren Entschlüsselung für Probleme und Kummer sorgen kann.

Bitte die nachfolgende Routine nur nach einer gründlichen Überprüfung für den Echteinsatz nutzen. Aus kryptographischer Sicht dürfte sie für viele Einsatzgebiete nutzbar sein.

package net.bplaced.javacrypto.tink;

/*
* Herkunft/Origin: http://javacrypto.bplaced.net/
* Programmierer/Programmer: Michael Fehr
* Copyright/Copyright: frei verwendbares Programm (Public Domain)
* Copyright: This is free and unencumbered software released into the public domain.
* Lizenztext/Licence: <http://unlicense.org>
* getestet mit/tested with: Java Runtime Environment 8 Update 191 x64
* getestet mit/tested with: Java Runtime Environment 11.0.1 x64
* Datum/Date (dd.mm.jjjj): 28.01.2019
* Funktion: verschlüsselt eine Datei und AAD-Daten mit Google Tink Determistisch AES GCM
* Function: encrypts a file and aad-data using Google Tink Determistic AES GCM
*
* Sicherheitshinweis/Security notice
* Die Programmroutinen dienen nur der Darstellung und haben keinen Anspruch auf eine korrekte Funktion, 
* insbesondere mit Blick auf die Sicherheit ! 
* Prüfen Sie die Sicherheit bevor das Programm in der echten Welt eingesetzt wird.
* The program routines just show the function but please be aware of the security part - 
* check yourself before using in the real world !
* 
* Das Programm benötigt die nachfolgende Bibliotheken:
* The programm uses these external libraries:
* jar-Datei: https://mvnrepository.com/artifact/com.google.crypto.tink/tink 
* jar-Datei: https://mvnrepository.com/artifact/com.google.protobuf/protobuf-java
* jar-Datei: https://mvnrepository.com/artifact/org.json/json
*/

import java.io.DataInputStream;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.LinkOption;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.util.Arrays;
import com.google.crypto.tink.CleartextKeysetHandle;
import com.google.crypto.tink.DeterministicAead;
import com.google.crypto.tink.JsonKeysetReader;
import com.google.crypto.tink.JsonKeysetWriter;
import com.google.crypto.tink.KeysetHandle;
import com.google.crypto.tink.config.TinkConfig;
import com.google.crypto.tink.daead.DeterministicAeadFactory;
import com.google.crypto.tink.daead.DeterministicAeadKeyTemplates;

public final class H09_DetermisticSymmetricEncryptionTinkSaveKeysFile {

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		System.out.println(
				"H09 Determistische symmetrische Verschlüsselung via Tink, Schlüssel Speicherung, mit AAD-Daten und mit einer Datei");
		System.out.println("\nHinweis: Bitte benutzen Sie dieses Programm nur bei kleineren Dateien bis"
				+ "\nzu einer Größe von 1 Megabyte, da die gesamte Datei in den Speicher geladen "
				+ "\nund dort ver- bzw. entschlüsselt wird.");

		TinkConfig.register();

		String aadtextString = "Hier stehen die AAD-Daten (additional authenticated data)";
		String filenameKeyString = "h09_aesdetermistic256.txt";
		String filenamePlainString = "a11_test_1mb.dat";
		String filenameEncString = "h09_test_enc.txt";
		String filenameDecString = "h09_test_dec.txt";

		byte[] aadtextByte = new byte[0]; // damit das array auf jeden fall gefüllt ist
		aadtextByte = aadtextString.getBytes("utf-8");

		// schlüssel erzeugen
		System.out.println("\nSchlüsselerzeugung und Speicherung");
		KeysetHandle keysetHandle = KeysetHandle.generateNew(DeterministicAeadKeyTemplates.AES256_SIV);
		// DeterministicAeadKeyTemplates.AES256_SIV

		// schlüssel speichern
		saveKeyJsonFormat(keysetHandle, filenameKeyString);
		System.out.println("Der erzeugte Schlüssel wurde gespeichert:" + filenameKeyString);
		System.out.println("Der Schlüssel ist im Format:" + keysetHandle.getKeysetInfo().getKeyInfo(0).getTypeUrl());

		// falls ein schlüssel bereits vorhanden ist wird er so geladen:
		// KeysetHandle keysetHandle = loadKeyJsonFormat(filenameKeyString);

		// ist die datei filenamePlainString existent ?
		if (FileExistsCheck(filenamePlainString) == false) {
			System.out.println("Die Datei " + filenamePlainString + " existiert nicht. Das Programm wird beendet.");
			System.exit(0);
		}
		;

		// verschlüsselung
		System.out.println("\n# # # Verschlüsselung einer Datei # # #");
		encryptDetermisticSymmetricWithAadTink(keysetHandle, filenamePlainString, filenameEncString, aadtextByte);
		System.out.println("Die Datei " + filenamePlainString + " wurde verschlüsselt in " + filenameEncString);
		System.out.println("Diese aadtext-Daten sind angefügt:\n" + new String(aadtextByte));

		// entschlüsselung, einlesen des schlüssels und der verschlüsselten datei
		System.out.println("\n# # # Entschlüsselung einer Datei # # #");
		if (FileExistsCheck(filenameKeyString) == false) {
			System.out.println("Die Datei " + filenameKeyString + " existiert nicht. Das Programm wird beendet.");
			System.exit(0);
		}
		;
		if (FileExistsCheck(filenameEncString) == false) {
			System.out.println("Die Datei " + filenameEncString + " existiert nicht. Das Programm wird beendet.");
			System.exit(0);
		}
		;
		// lesen der schlüsseldatei
		KeysetHandle keysetHandleRead = loadKeyJsonFormat(filenameKeyString);
		System.out.println("Der Schlüssel wurde gelesen:" + filenameKeyString);
		// entschlüsseln der datei filenameEncString
		byte[] aadtextReadByte = decryptDetermisticSymmetricWithAadTink(keysetHandleRead, filenameEncString,
				filenameDecString);
		System.out.println("Die Datei " + filenameEncString + " wurde entschlüsselt in " + filenameDecString);
		System.out.println("Diese aadtext-Daten sind angefügt:\n" + new String(aadtextReadByte));
	}

	public static void saveKeyJsonFormat(KeysetHandle keysetHandle, String filenameString) throws IOException {
		CleartextKeysetHandle.write(keysetHandle, JsonKeysetWriter.withFile(new File(filenameString)));
	}

	public static KeysetHandle loadKeyJsonFormat(String filenameString) throws GeneralSecurityException, IOException {
		return CleartextKeysetHandle.read(JsonKeysetReader.withFile(new File(filenameString)));
	}

	public static void encryptDetermisticSymmetricWithAadTink(KeysetHandle keysetHandle, String filenamePlainString,
			String filenameEncString, byte[] aadtextByte)
			throws GeneralSecurityException, FileNotFoundException, IOException {
		// test auf ein nicht gefülltes aadtextByte array
		if (aadtextByte == null) {
			System.err.println("No data in aadtextByte, programm halted");
			System.exit(0);
		}
		// initialisierung
		DeterministicAead daead = DeterministicAeadFactory.getPrimitive(keysetHandle);
		// einlesen des plaintextes
		byte[] plaintextByte = readBytesFromFileNio(filenamePlainString);
		// verschlüsselung
		byte[] ciphertextByte = daead.encryptDeterministically(plaintextByte, aadtextByte);
		Arrays.fill(plaintextByte, (byte) 0); // plaintextByte löschen
		// aadtextByte und ciphertextByte speichern
		writeTwoByteArraysToFileNio(aadtextByte, ciphertextByte, filenameEncString);
		Arrays.fill(ciphertextByte, (byte) 0); // ciphertextByte löschen
	}

	public static byte[] decryptDetermisticSymmetricWithAadTink(KeysetHandle keysetHandle, String filenameEncString,
			String filenameDecString) throws GeneralSecurityException, FileNotFoundException, IOException {
		// initialisierung
		DeterministicAead daead = DeterministicAeadFactory.getPrimitive(keysetHandle);
		// einlesen des aadtextByte und ciphertextByte
		byte[] aadtextByte = null;
		byte[] ciphertextByte = null;
		try (DataInputStream dataIn = new DataInputStream(new FileInputStream(filenameEncString))) {
			int aadtextSizeInt = dataIn.readInt();
			aadtextByte = new byte[aadtextSizeInt];
			dataIn.read(aadtextByte, 0, aadtextSizeInt);
			int ciphertextSizeInt = dataIn.readInt();
			ciphertextByte = new byte[ciphertextSizeInt];
			dataIn.read(ciphertextByte, 0, ciphertextSizeInt);
		}
		// entschlüsselung
		byte[] decryptedtextByte = daead.decryptDeterministically(ciphertextByte, aadtextByte);
		Arrays.fill(ciphertextByte, (byte) 0); // ciphertextByte löschen
		// decryptedtextByte speichern
		writeBytesToFileNio(decryptedtextByte, filenameDecString);
		// decryptedtextByte löschen
		Arrays.fill(decryptedtextByte, (byte) 0);
		return aadtextByte;
	}

	private static boolean FileExistsCheck(String dateinameString) {
		return Files.exists(Paths.get(dateinameString), new LinkOption[] { LinkOption.NOFOLLOW_LINKS });
	}

	private static void writeTwoByteArraysToFileNio(byte[] firstByte, byte[] secondByte, String filenameString)
			throws FileNotFoundException, IOException {
		try (DataOutputStream out = new DataOutputStream(new FileOutputStream(filenameString))) {
			out.writeInt(firstByte.length);
			out.write(firstByte);
			out.writeInt(secondByte.length);
			out.write(secondByte);
		}
	}

	private static void writeBytesToFileNio(byte[] byteToFileByte, String filenameString) {
		try {
			Path path = Paths.get(filenameString);
			Files.write(path, byteToFileByte);
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

	private static byte[] readBytesFromFileNio(String filenameString) {
		byte[] byteFromFileByte = null;
		try {
			byteFromFileByte = Files.readAllBytes(Paths.get(filenameString));
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return byteFromFileByte;
	}

	public static String printHexBinary(byte[] bytes) {
		final char[] hexArray = "0123456789ABCDEF".toCharArray();
		char[] hexChars = new char[bytes.length * 2];
		for (int j = 0; j < bytes.length; j++) {
			int v = bytes[j] & 0xFF;
			hexChars[j * 2] = hexArray[v >>> 4];
			hexChars[j * 2 + 1] = hexArray[v & 0x0F];
		}
		return new String(hexChars);
	}
}

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package net.bplaced.javacrypto.tink;

* Herkunft/Origin: http://javacrypto.bplaced.net/

* Programmierer/Programmer: Michael Fehr

* Copyright/Copyright: frei verwendbares Programm (Public Domain)

* Copyright: This is free and unencumbered software released into the public domain.

* Lizenztext/Licence: <http://unlicense.org>

* getestet mit/tested with: Java Runtime Environment 8 Update 191 x64

* getestet mit/tested with: Java Runtime Environment 11.0.1 x64

* Datum/Date (dd.mm.jjjj): 28.01.2019

* Funktion: verschlüsselt eine Datei und AAD-Daten mit Google Tink Determistisch AES GCM

* Function: encrypts a file and aad-data using Google Tink Determistic AES GCM

* Sicherheitshinweis/Security notice

* Die Programmroutinen dienen nur der Darstellung und haben keinen Anspruch auf eine korrekte Funktion,

* insbesondere mit Blick auf die Sicherheit !

* Prüfen Sie die Sicherheit bevor das Programm in der echten Welt eingesetzt wird.

* The program routines just show the function but please be aware of the security part -

* check yourself before using in the real world !

* Das Programm benötigt die nachfolgende Bibliotheken:

* The programm uses these external libraries:

* jar-Datei: https://mvnrepository.com/artifact/com.google.crypto.tink/tink

* jar-Datei: https://mvnrepository.com/artifact/com.google.protobuf/protobuf-java

* jar-Datei: https://mvnrepository.com/artifact/org.json/json

import java.io.DataInputStream;

import java.io.DataOutputStream;

import java.io.File;

import java.io.FileInputStream;

import java.io.FileNotFoundException;

import java.io.FileOutputStream;

import java.io.IOException;

import java.nio.file.Files;

import java.nio.file.LinkOption;

import java.nio.file.Path;

import java.nio.file.Paths;

import java.security.GeneralSecurityException;

import java.util.Arrays;

import com.google.crypto.tink.CleartextKeysetHandle;

import com.google.crypto.tink.DeterministicAead;

import com.google.crypto.tink.JsonKeysetReader;

import com.google.crypto.tink.JsonKeysetWriter;

import com.google.crypto.tink.KeysetHandle;

import com.google.crypto.tink.config.TinkConfig;

import com.google.crypto.tink.daead.DeterministicAeadFactory;

import com.google.crypto.tink.daead.DeterministicAeadKeyTemplates;

public final class H09_DetermisticSymmetricEncryptionTinkSaveKeysFile {

public static void main(String[] args) throws Exception {

System.out.println(

"H09 Determistische symmetrische Verschlüsselung via Tink, Schlüssel Speicherung, mit AAD-Daten und mit einer Datei");

System.out.println("\nHinweis: Bitte benutzen Sie dieses Programm nur bei kleineren Dateien bis"

+ "\nzu einer Größe von 1 Megabyte, da die gesamte Datei in den Speicher geladen "

+ "\nund dort ver- bzw. entschlüsselt wird.");

TinkConfig.register();

String aadtextString = "Hier stehen die AAD-Daten (additional authenticated data)";

String filenameKeyString = "h09_aesdetermistic256.txt";

String filenamePlainString = "a11_test_1mb.dat";

String filenameEncString = "h09_test_enc.txt";

String filenameDecString = "h09_test_dec.txt";

byte[] aadtextByte = new byte[0]; // damit das array auf jeden fall gefüllt ist

aadtextByte = aadtextString.getBytes("utf-8");

// schlüssel erzeugen

System.out.println("\nSchlüsselerzeugung und Speicherung");

KeysetHandle keysetHandle = KeysetHandle.generateNew(DeterministicAeadKeyTemplates.AES256_SIV);

// DeterministicAeadKeyTemplates.AES256_SIV

// schlüssel speichern

saveKeyJsonFormat(keysetHandle, filenameKeyString);

System.out.println("Der erzeugte Schlüssel wurde gespeichert:" + filenameKeyString);

System.out.println("Der Schlüssel ist im Format:" + keysetHandle.getKeysetInfo().getKeyInfo(0).getTypeUrl());

// falls ein schlüssel bereits vorhanden ist wird er so geladen:

// KeysetHandle keysetHandle = loadKeyJsonFormat(filenameKeyString);

// ist die datei filenamePlainString existent ?

if (FileExistsCheck(filenamePlainString) == false) {

System.out.println("Die Datei " + filenamePlainString + " existiert nicht. Das Programm wird beendet.");

System.exit(0);

}

;

// verschlüsselung

System.out.println("\n# # # Verschlüsselung einer Datei # # #");

encryptDetermisticSymmetricWithAadTink(keysetHandle, filenamePlainString, filenameEncString, aadtextByte);

System.out.println("Die Datei " + filenamePlainString + " wurde verschlüsselt in " + filenameEncString);

System.out.println("Diese aadtext-Daten sind angefügt:\n" + new String(aadtextByte));

// entschlüsselung, einlesen des schlüssels und der verschlüsselten datei

System.out.println("\n# # # Entschlüsselung einer Datei # # #");

if (FileExistsCheck(filenameKeyString) == false) {

System.out.println("Die Datei " + filenameKeyString + " existiert nicht. Das Programm wird beendet.");

System.exit(0);

}

;

if (FileExistsCheck(filenameEncString) == false) {

System.out.println("Die Datei " + filenameEncString + " existiert nicht. Das Programm wird beendet.");

System.exit(0);

}

;

// lesen der schlüsseldatei

KeysetHandle keysetHandleRead = loadKeyJsonFormat(filenameKeyString);

System.out.println("Der Schlüssel wurde gelesen:" + filenameKeyString);

// entschlüsseln der datei filenameEncString

byte[] aadtextReadByte = decryptDetermisticSymmetricWithAadTink(keysetHandleRead, filenameEncString,

filenameDecString);

System.out.println("Die Datei " + filenameEncString + " wurde entschlüsselt in " + filenameDecString);

System.out.println("Diese aadtext-Daten sind angefügt:\n" + new String(aadtextReadByte));

}

public static void saveKeyJsonFormat(KeysetHandle keysetHandle, String filenameString) throws IOException {

CleartextKeysetHandle.write(keysetHandle, JsonKeysetWriter.withFile(new File(filenameString)));

}

public static KeysetHandle loadKeyJsonFormat(String filenameString) throws GeneralSecurityException, IOException {

return CleartextKeysetHandle.read(JsonKeysetReader.withFile(new File(filenameString)));

}

public static void encryptDetermisticSymmetricWithAadTink(KeysetHandle keysetHandle, String filenamePlainString,

String filenameEncString, byte[] aadtextByte)

throws GeneralSecurityException, FileNotFoundException, IOException {

// test auf ein nicht gefülltes aadtextByte array

if (aadtextByte == null) {

System.err.println("No data in aadtextByte, programm halted");

System.exit(0);

}

// initialisierung

DeterministicAead daead = DeterministicAeadFactory.getPrimitive(keysetHandle);

// einlesen des plaintextes

byte[] plaintextByte = readBytesFromFileNio(filenamePlainString);

// verschlüsselung

byte[] ciphertextByte = daead.encryptDeterministically(plaintextByte, aadtextByte);

Arrays.fill(plaintextByte, (byte) 0); // plaintextByte löschen

// aadtextByte und ciphertextByte speichern

writeTwoByteArraysToFileNio(aadtextByte, ciphertextByte, filenameEncString);

Arrays.fill(ciphertextByte, (byte) 0); // ciphertextByte löschen

}

public static byte[] decryptDetermisticSymmetricWithAadTink(KeysetHandle keysetHandle, String filenameEncString,

String filenameDecString) throws GeneralSecurityException, FileNotFoundException, IOException {

// initialisierung

DeterministicAead daead = DeterministicAeadFactory.getPrimitive(keysetHandle);

// einlesen des aadtextByte und ciphertextByte

byte[] aadtextByte = null;

byte[] ciphertextByte = null;

try (DataInputStream dataIn = new DataInputStream(new FileInputStream(filenameEncString))) {

int aadtextSizeInt = dataIn.readInt();

aadtextByte = new byte[aadtextSizeInt];

dataIn.read(aadtextByte, 0, aadtextSizeInt);

int ciphertextSizeInt = dataIn.readInt();

ciphertextByte = new byte[ciphertextSizeInt];

dataIn.read(ciphertextByte, 0, ciphertextSizeInt);

}

// entschlüsselung

byte[] decryptedtextByte = daead.decryptDeterministically(ciphertextByte, aadtextByte);

Arrays.fill(ciphertextByte, (byte) 0); // ciphertextByte löschen

// decryptedtextByte speichern

writeBytesToFileNio(decryptedtextByte, filenameDecString);

// decryptedtextByte löschen

Arrays.fill(decryptedtextByte, (byte) 0);

return aadtextByte;

}

private static boolean FileExistsCheck(String dateinameString) {

return Files.exists(Paths.get(dateinameString), new LinkOption[] { LinkOption.NOFOLLOW_LINKS });

}

private static void writeTwoByteArraysToFileNio(byte[] firstByte, byte[] secondByte, String filenameString)

throws FileNotFoundException, IOException {

try (DataOutputStream out = new DataOutputStream(new FileOutputStream(filenameString))) {

out.writeInt(firstByte.length);

out.write(firstByte);

out.writeInt(secondByte.length);

out.write(secondByte);

}

private static void writeBytesToFileNio(byte[] byteToFileByte, String filenameString) {

try {

Path path = Paths.get(filenameString);

Files.write(path, byteToFileByte);

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

private static byte[] readBytesFromFileNio(String filenameString) {

byte[] byteFromFileByte = null;

try {

byteFromFileByte = Files.readAllBytes(Paths.get(filenameString));

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

return byteFromFileByte;

}

public static String printHexBinary(byte[] bytes) {

final char[] hexArray = "0123456789ABCDEF".toCharArray();

char[] hexChars = new char[bytes.length * 2];

for (int j = 0; j < bytes.length; j++) {

int v = bytes[j] & 0xFF;

hexChars[j * 2] = hexArray[v >>> 4];

hexChars[j * 2 + 1] = hexArray[v & 0x0F];

}

return new String(hexChars);

}

Wie bei den anderen Verfahren auch zeige ich Euch hier die Konsolenausgabe:

H09 Determistische symmetrische Verschlüsselung via Tink, Schlüssel Speicherung, mit AAD-Daten und mit einer Datei

Hinweis: Bitte benutzen Sie dieses Programm nur bei kleineren Dateien bis
zu einer Größe von 1 Megabyte, da die gesamte Datei in den Speicher geladen 
und dort ver- bzw. entschlüsselt wird.

Schlüsselerzeugung und Speicherung
Der erzeugte Schlüssel wurde gespeichert:h09_aesdetermistic256.txt
Der Schlüssel ist im Format:type.googleapis.com/google.crypto.tink.AesSivKey

# # # Verschlüsselung einer Datei # # #
Die Datei a11_test_1mb.dat wurde verschlüsselt in h09_test_enc.txt
Diese aadtext-Daten sind angefügt:
Hier stehen die AAD-Daten (additional authenticated data)

# # # Entschlüsselung einer Datei # # #
Der Schlüssel wurde gelesen:h09_aesdetermistic256.txt
Die Datei h09_test_enc.txt wurde entschlüsselt in h09_test_dec.txt
Diese aadtext-Daten sind angefügt:
Hier stehen die AAD-Daten (additional authenticated data)

H09 Determistische symmetrische Verschlüsselung via Tink, Schlüssel Speicherung, mit AAD-Daten und mit einer Datei

Hinweis: Bitte benutzen Sie dieses Programm nur bei kleineren Dateien bis

zu einer Größe von 1 Megabyte, da die gesamte Datei in den Speicher geladen

und dort ver- bzw. entschlüsselt wird.

Schlüsselerzeugung und Speicherung

Der erzeugte Schlüssel wurde gespeichert:h09_aesdetermistic256.txt

Der Schlüssel ist im Format:type.googleapis.com/google.crypto.tink.AesSivKey

# # # Verschlüsselung einer Datei # # #

Die Datei a11_test_1mb.dat wurde verschlüsselt in h09_test_enc.txt

Diese aadtext-Daten sind angefügt:

Hier stehen die AAD-Daten (additional authenticated data)

# # # Entschlüsselung einer Datei # # #

Der Schlüssel wurde gelesen:h09_aesdetermistic256.txt

Die Datei h09_test_enc.txt wurde entschlüsselt in h09_test_dec.txt

Diese aadtext-Daten sind angefügt:

Hier stehen die AAD-Daten (additional authenticated data)

Alle Quellcodes zu Google Tink findet Ihr zum Download in meinem Github-Repository, welches Ihr über diesen Link erreicht: https://github.com/java-crypto/H-Google-Tink. Alle Programme sind sowohl unter Java 8 als auch unter Java 11 lauffähig.

Die Lizenz zum obigen Beispiel findet Ihr auf der eigenen Lizenz-Seite.

Letzte Aktualisierung: 28.01.2019