GCM模式详解

一、GCM模式是什么意思

GCM(Galois/Counter Mode)模式是一种高效的对称加密模式，它是在CTR模式的基础上，通过加入GMAC (Galois Message Authentication Code)算法实现的。GCM模式可以同时提供加密和认证的功能，而且能够并行处理数据块，具有较高的加密速度和较低的资源消耗。

二、GCM模式提供认证

GCM模式不仅提供加密功能，还提供了认证的功能。在进行加密的同时，它计算出一个MAC值(认证码)，保证了数据的完整性和可靠性。这个MAC值是通过GMAC算法计算得出的，需要在加密过程中使用到一个密钥。因此，GCM模式需要一个加密密钥和一个GMAC密钥，分别用于加密和认证。

三、GCM模式 IV可预测

GCM模式使用的IV (Initialization Vector)可以被预测，因此需要每个IV值仅被使用一次，避免IV值重复。这个问题可以通过使用随机数生成器来解决。由于随机数生成器可以产生高质量的随机数，因此可以保证每个IV值都是唯一的，不会被重复使用。

四、GCM模式可以填充吗

GCM模式不是块密码模式，因此不需要填充。GCM模式中的加密算法是基于CTR模式实现的，CTR模式不需要填充，因为无论明文是多少，加密的数据都是同样长度的。因此，在使用GCM模式进行加密时，不需要考虑填充的问题。

五、GCM模式提供附加消息

GCM模式提供了一种机制，可以在加密的过程中，将额外的信息一同加密。这些额外的信息被称为附加消息(AAD, Additional Authentication Data)，它们不会被加密，而是被参与了MAC值的计算，从而保证了数据的完整性和可靠性。附加消息可以包含认证信息、版本号、发送者和接收者的ID等。

六、GCMS的SIM模式

GCMS模式是GCM模式的变种，它是专门针对被称为SIM卡的小型芯片的安全通讯设计的一种GCM模式。这种模式主要用于移动设备与SIM卡之间的通信，具有极高的安全性和效率。

七、AES GCM模式

AES GCM模式是将AES算法与GCM模式相结合的一种加密方式，它使用AES算法进行数据加密，同时结合GCM模式进行认证。AES GCM模式具有高效、安全的特点，被广泛应用于网络安全、信息安全领域。

八、GCM全称

GCM的全称是Galois/Counter Mode，它是一种高效的对称加密模式，在加密和认证能力方面都具有很高的性能。由于GCM模式可以同时进行加密和认证，因此被广泛应用于网络通信、文件传输、数据库安全等领域。

代码示例

// 使用GCM模式加密数据
// key: 加密密钥
// gmacKey: GMAC密钥
// iv: 初始化向量
// data: 明文数据
// aad: 附加消息
// 返回值: 加密后的数据和认证码

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认证码

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

    return outputStream.toByteArray();
}

// 生成GMAC认证码
// gmacKey: GMAC密钥
// iv: 初始化向量
// aad: 附加消息
// encryptedData: 加密后的数据
// 返回值: GMAC认证码

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);
}