Java中常用的加密方式

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2022-06-02 00:52 199阅读 0赞

### 一、Java常用加密方式 ###

*  Base64加密算法(编码方式)
 *  MD5加密(消息摘要算法，验证信息完整性)
 *  对称加密算法
 *  非对称加密算法
 *  数字签名算法
 *  数字证书

### 二、分类 ###

1.  按加密算法是否需要key被分为两类：  
    
    
     *  不基于key的有: Base64算法、MD5
     *  基于key的有: 对称加密算法、非对称加密算法、数字签名算法、数字证书、HMAC、RC4(对称加密)
2.  按加密算法是否可逆被分为两类：  
    
    
     *  单向加密算法(不可解密)：MD5、SHA、HMAC
     *  非单项加密算法(可解密)：BASE64、对称加密算法、非对称加密算法、数字签名算法、数字证书

### 三、算法介绍 ###

#### 1.对称加密 ####

对称加密是最快速、最简单的一种加密方式，加密（encryption）与解密（decryption）用的是同样的密钥（secret key）。对称加密有很多种算法，由于它效率很高，所以被广泛使用在很多加密协议的核心当中。

对称加密通常使用的是相对较小的密钥，一般小于256 bit。因为密钥越大，加密越强，但加密与解密的过程越慢。如果你只用1 bit来做这个密钥，那黑客们可以先试着用0来解密，不行的话就再用1解；但如果你的密钥有1 MB大，黑客们可能永远也无法破解，但加密和解密的过程要花费很长的时间。密钥的大小既要照顾到安全性，也要照顾到效率，是一个trade-off。

DES(Data Encryption Standard)和TripleDES是对称加密的两种实现。

DES和TripleDES基本算法一致，只是TripleDES算法提供的key位数更多，加密可靠性更高。  
DES使用的密钥key为8字节，初始向量IV也是8字节。  
TripleDES使用24字节的key，初始向量IV也是8字节。  
两种算法都是以8字节为一个块进行加密，一个数据块一个数据块的加密，一个8字节的明文加密后的密文也是8字节。如果明文长度不为8字节的整数倍，添加值为0的字节凑满8字节整数倍。所以加密后的密文长度一定为8字节的整数倍

下面举个例子：

import java.security.InvalidKeyException;
    import java.security.Key;
    import java.security.NoSuchAlgorithmException;
    import java.security.SecureRandom;
    import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
    
    import javax.crypto.Cipher;
    import javax.crypto.SecretKey;
    import javax.crypto.SecretKeyFactory;
    import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
    
    import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
    
    public class DESDemo { 
        // 算法名称
        public static final String KEY_ALGORITHM = "DES";
        // 算法名称/加密模式/填充方式
        // DES共有四种工作模式-->>ECB：电子密码本模式、CBC：加密分组链接模式、CFB：加密反馈模式、OFB：输出反馈模式
        public static final String CIPHER_ALGORITHM = "DES/ECB/NoPadding";
    
        /** * * 生成密钥key对象 * * @param KeyStr * 密钥字符串 * @return 密钥对象 * @throws InvalidKeyException * @throws NoSuchAlgorithmException * @throws InvalidKeySpecException * @throws Exception */
        private static SecretKey keyGenerator(String keyStr) throws Exception {
            byte input[] = HexString2Bytes(keyStr);
            DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(input);
            // 创建一个密匙工厂，然后用它把DESKeySpec转换成
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);
            return securekey;
        }
    
        private static int parse(char c) {
            if (c >= 'a')
                return (c - 'a' + 10) & 0x0f;
            if (c >= 'A')
                return (c - 'A' + 10) & 0x0f;
            return (c - '0') & 0x0f;
        }
    
        // 从十六进制字符串到字节数组转换
        public static byte[] HexString2Bytes(String hexstr) {
            byte[] b = new byte[hexstr.length() / 2];
            int j = 0;
            for (int i = 0; i < b.length; i++) {
                char c0 = hexstr.charAt(j++);
                char c1 = hexstr.charAt(j++);
                b[i] = (byte) ((parse(c0) << 4) | parse(c1));
            }
            return b;
        }
    
        /** * 加密数据 * * @param data * 待加密数据 * @param key * 密钥 * @return 加密后的数据 */
        public static String encrypt(String data, String key) throws Exception {
            Key deskey = keyGenerator(key);
            // 实例化Cipher对象，它用于完成实际的加密操作
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            // 初始化Cipher对象，设置为加密模式
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey, random);
            byte[] results = cipher.doFinal(data.getBytes());
            // 该部分是为了与加解密在线测试网站（http://tripledes.online-domain-tools.com/）的十六进制结果进行核对
            for (int i = 0; i < results.length; i++) {
                System.out.print(results[i] + " ");
            }
            System.out.println();
            // 执行加密操作。加密后的结果通常都会用Base64编码进行传输
            return Base64.encodeBase64String(results);
        }
    
        /** * 解密数据 * * @param data * 待解密数据 * @param key * 密钥 * @return 解密后的数据 */
        public static String decrypt(String data, String key) throws Exception {
            Key deskey = keyGenerator(key);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
            // 初始化Cipher对象，设置为解密模式
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey);
            // 执行解密操作
            return new String(cipher.doFinal(Base64.decodeBase64(data)));
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            String source = "helloittx";
            System.out.println("原文: " + source);
            String key = "A1B2C3D4E5F60708";
            String encryptData = encrypt(source, key);
            System.out.println("加密后: " + encryptData);
            String decryptData = decrypt(encryptData, key);
            System.out.println("解密后: " + decryptData);
        }
    }

#### 2.非对称加密 ####

非对称加密为数据的加密与解密提供了一个非常安全的方法，它使用了一对密钥，公钥（public key）和私钥（private key）。私钥只能由一方安全保管，不能外泄，而公钥则可以发给任何请求它的人。非对称加密使用这对密钥中的一个进行加密，而解密则需要另一个密钥。比如，你向银行请求公钥，银行将公钥发给你，你使用公钥对消息加密，那么只有私钥的持有人–银行才能对你的消息解密。与对称加密不同的是，银行不需要将私钥通过网络发送出去，因此安全性大大提高。

目前最常用的非对称加密算法是RSA算法，是Rivest, Shamir, 和Adleman于1978年发明，他们那时都是在MIT。请看下面的例子：

import java.io.FileInputStream;
    import java.io.FileOutputStream;
    import java.io.ObjectInputStream;
    import java.io.ObjectOutputStream;
    import java.math.BigInteger;
    import java.security.Key;
    import java.security.KeyFactory;
    import java.security.KeyPair;
    import java.security.KeyPairGenerator;
    import java.security.SecureRandom;
    import java.security.spec.RSAPrivateCrtKeySpec;
    import java.security.spec.RSAPublicKeySpec;
    
    import javax.crypto.Cipher;
    
    import com.lxh.rsatest.HexUtil;
    
    import Decoder.BASE64Decoder;
    import Decoder.BASE64Encoder;
    
    public class RSAEncrypt { 
        /** 指定加密算法为DESede */
        private static String ALGORITHM = "RSA";
        /** 指定key的大小 */
        private static int KEYSIZE = 1024;
        /** 指定公钥存放文件 */
        private static String PUBLIC_KEY_FILE = "public.keystore";
        /** 指定私钥存放文件 */
        private static String PRIVATE_KEY_FILE = "private.keystore";
    
        /** * 生成密钥对 */
        private static void generateKeyPair() throws Exception {
            /** RSA算法要求有一个可信任的随机数源 */
            SecureRandom sr = new SecureRandom();
            /** 为RSA算法创建一个KeyPairGenerator对象 */
            KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
            /** 利用上面的随机数据源初始化这个KeyPairGenerator对象 */
            kpg.initialize(KEYSIZE, sr);
            /** 生成密匙对 */
            KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();
            /** 得到公钥 */
            Key publicKey = kp.getPublic();
            /** 得到私钥 */
            Key privateKey = kp.getPrivate();
            /** 用对象流将生成的密钥写入文件 */
            ObjectOutputStream oos1 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(PUBLIC_KEY_FILE));
            ObjectOutputStream oos2 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(PRIVATE_KEY_FILE));
            oos1.writeObject(publicKey);
            oos2.writeObject(privateKey);
            /** 清空缓存，关闭文件输出流 */
            oos1.close();
            oos2.close();
        }
    
        /** * 生成密钥对字符串 */
        private static void generateKeyPairString() throws Exception {
            /** RSA算法要求有一个可信任的随机数源 */
            SecureRandom sr = new SecureRandom();
            /** 为RSA算法创建一个KeyPairGenerator对象 */
            KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
            /** 利用上面的随机数据源初始化这个KeyPairGenerator对象 */
            kpg.initialize(KEYSIZE, sr);
            /** 生成密匙对 */
            KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();
            /** 得到公钥 */
            Key publicKey = kp.getPublic();
            /** 得到私钥 */
            Key privateKey = kp.getPrivate();
            /** 用字符串将生成的密钥写入文件 */
    
            String algorithm = publicKey.getAlgorithm(); // 获取算法
            KeyFactory keyFact = KeyFactory.getInstance(algorithm);
            BigInteger prime = null;
            BigInteger exponent = null;
    
            RSAPublicKeySpec keySpec = (RSAPublicKeySpec) keyFact.getKeySpec(publicKey, RSAPublicKeySpec.class);
    
            prime = keySpec.getModulus();
            exponent = keySpec.getPublicExponent();
            System.out.println("公钥模量：" + HexUtil.bytes2Hex(prime.toByteArray()));
            System.out.println("公钥指数:" + HexUtil.bytes2Hex(exponent.toByteArray()));
    
            System.out.println(privateKey.getAlgorithm());
            RSAPrivateCrtKeySpec privateKeySpec = (RSAPrivateCrtKeySpec) keyFact.getKeySpec(privateKey,
                    RSAPrivateCrtKeySpec.class);
            BigInteger privateModulus = privateKeySpec.getModulus();
            BigInteger privateExponent = privateKeySpec.getPrivateExponent();
    
            System.out.println("私钥模量：" + HexUtil.bytes2Hex(privateModulus.toByteArray()));
            System.out.println("私钥指数:" + HexUtil.bytes2Hex(privateExponent.toByteArray()));
    
        }
    
        /** * 加密方法 source： 源数据 */
        public static String encrypt(String source) throws Exception {
            generateKeyPair();
            /** 将文件中的公钥对象读出 */
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(PUBLIC_KEY_FILE));
            Key key = (Key) ois.readObject();
            ois.close();
    
            String algorithm = key.getAlgorithm(); // 获取算法
            KeyFactory keyFact = KeyFactory.getInstance(algorithm);
            BigInteger prime = null;
            BigInteger exponent = null;
            if ("RSA".equals(algorithm)) { // 如果是RSA加密
                RSAPublicKeySpec keySpec = (RSAPublicKeySpec) keyFact.getKeySpec(key, RSAPublicKeySpec.class);
                prime = keySpec.getModulus();
                exponent = keySpec.getPublicExponent();
    
    // System.out.println("公钥模量：" + HexUtil.bytes2Hex(prime.toByteArray()));
    // System.out.println("公钥指数:" + HexUtil.bytes2Hex(exponent.toByteArray()));
    
            }
    
            /** 得到Cipher对象来实现对源数据的RSA加密 */
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
            byte[] b = source.getBytes();
            /** 执行加密操作 */
            byte[] b1 = cipher.doFinal(b);
            BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
            return encoder.encode(b1);
        }
    
        /** * 解密算法 cryptograph:密文 */
        public static String decrypt(String cryptograph) throws Exception {
            /** 将文件中的私钥对象读出 */
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(PRIVATE_KEY_FILE));
            Key key = (Key) ois.readObject();
    
            String algorithm = key.getAlgorithm(); // 获取算法
            KeyFactory keyFact = KeyFactory.getInstance(algorithm);
            RSAPrivateCrtKeySpec privateKeySpec = (RSAPrivateCrtKeySpec) keyFact.getKeySpec(key,
                    RSAPrivateCrtKeySpec.class);
            BigInteger privateModulus = privateKeySpec.getModulus();
            BigInteger privateExponent = privateKeySpec.getPrivateExponent();
    
    // System.out.println("私钥模量：" + HexUtil.bytes2Hex(privateModulus.toByteArray()));
    // System.out.println("私钥指数:" + HexUtil.bytes2Hex(privateExponent.toByteArray()));
    
            /** 得到Cipher对象对已用公钥加密的数据进行RSA解密 */
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
            BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder();
    
            byte[] b1 = decoder.decodeBuffer(cryptograph);
            /** 执行解密操作 */
            byte[] b = cipher.doFinal(b1);
            return new String(b);
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            generateKeyPair(); //生成文件形式公钥和私钥
            //generateKeyPairString();//生成字符串形式公钥和私钥
    
            String source = "非对称加密RSA";// 要加密的字符串
    
            String cryptograph = encrypt(source);// 生成的密文
            String hexCrypt = HexUtil.bytes2Hex(cryptograph.getBytes(), false);
            System.out.println("生成的密文--->" + hexCrypt);
    
            String target = decrypt(HexUtil.hex2String(hexCrypt));// 解密密文
            System.out.println("解密密文--->" + target);
    
        }
    }

虽然非对称加密很安全，但是和对称加密比起来，它非常的慢，所以我们还是要用对称加密来传送消息，但对称加密所使用的密钥我们可以通过非对称加密的方式发送出去。  
（1） 对称加密加密与解密使用的是同样的密钥，所以速度快，但由于需要将密钥在网络传输，所以安全性不高。  
（2） 非对称加密使用了一对密钥，公钥与私钥，所以安全性高，但加密与解密速度慢。  
（3） 解决的办法是将对称加密的密钥使用非对称加密的公钥进行加密，然后发送出去，接收方使用私钥进行解密得到对称加密的密钥，然后双方可以使用对称加密来进行沟通。

#### 3.Base64编码 ####

Base 64 Encoding有什么用？举个简单的例子，你使用SMTP协议 （Simple Mail Transfer Protocol 简单邮件传输协议）来发送邮件。因为这个协议是基于文本的协议，所以如果邮件中包含一幅图片，我们知道图片的存储格式是二进制数据（binary data），而非文本格式，我们必须将二进制的数据编码成文本格式，这时候Base 64 Encoding就派上用场了。

public void testJDKBase64(){
        String encoderStr = java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(s.getBytes());
        System.out.println("encode :"+encoderStr);
    
        String decodeStr = new String(java.util.Base64.getDecoder().decode(encoderStr));
        System.out.println("decodeStr :"+decodeStr);
    }
    
    public void testCodecBase64(){
        String encoderStr = org.apache.commons.codec.binary.Base64.encodeBase64String(s.getBytes());
        System.out.println("encode :"+encoderStr);
    
        String decodeStr = new String(org.apache.commons.codec.binary.Base64.decodeBase64(encoderStr));
        System.out.println("decodeStr :"+decodeStr);
    }

#### 4.MD5加密 ####

Message Digest Algorithm MD5（中文名为消息摘要算法第五版）为计算机安全领域广泛使用的一种散列函数，用以提供消息的完整性保护。该算法的文件号为RFC 1321（R.Rivest,MIT Laboratory for Computer Science and RSA Data Security Inc. April 1992）.

MD5的全称是Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法），在90年代初由MIT Laboratory for Computer Science和RSA Data Security Inc的Ronald L. Rivest开发出来，经MD2、MD3和MD4发展而来。

MD5用于确保信息传输完整一致。是计算机广泛使用的杂凑算法之一（又译摘要算法、哈希算法），主流编程语言普遍已有MD5实现。将数据（如汉字）运算为另一固定长度值，是杂凑算法的基础原理，MD5的前身有MD2、MD3和MD4。

MD5的作用是让大容量信息在用数字签名软件签署私人密钥前被”压缩”成一种保密的格式（就是把一个任意长度的字节串变换成一定长的十六进制数字串）。

import java.security.MessageDigest;
    import java.security.NoSuchAlgorithmException;
    
    /** * Java消息摘要算法 MD5 工具类,其实其他摘要算法的实现也类似 */
    public class MD5Util { 
        /** * 对文本执行 md5 摘要加密, 此算法与 mysql,JavaScript生成的md5摘要进行过一致性对比. * @param plainText * @return 返回值中的字母为小写 */
        public static String md5(String plainText) {
            if (null == plainText) {
                plainText = "";
            }
            String MD5Str = "";
            try {
                // JDK 6 支持以下6种消息摘要算法，不区分大小写
                // md5,sha(sha-1),md2,sha-256,sha-384,sha-512
                MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
                md.update(plainText.getBytes());
                byte b[] = md.digest();
    
                int i;
    
                StringBuilder builder = new StringBuilder(32);
                for (int offset = 0; offset < b.length; offset++) {
                    i = b[offset];
                    if (i < 0)
                        i += 256;
                    if (i < 16)
                        builder.append("0");
                    builder.append(Integer.toHexString(i));
                }
                MD5Str = builder.toString();
                // LogUtil.println("result: " + buf.toString());// 32位的加密
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return MD5Str;
        }
        // 一个简版测试
        public static void main(String[] args) {
            String m1 = md5("1");
            String m2 = md5(m1);
            /* 输出为 * m1=c4ca4238a0b923820dcc509a6f75849b * m2=28c8edde3d61a0411511d3b1866f0636 */
            System.out.println("m1="+m1);
            System.out.println("m2="+m2);
        }
    }

通常我们不直接使用上述MD5加密。通常将MD5产生的字节数组交给Base64再加密一把，得到相应的字符串。

#### 5.数字签名算法 ####

签名：就有安全性，抗否认性  
数字签名：带有密钥（公钥，私钥）的消息摘要算法  
作用：  
1. 验证数据的完整性  
2. 认证数据来源  
3. 抗否认

数字签名遵循：私钥签名，公钥验证  
常用的数字签名算法：RSA，DSA，ECDSA

RSA介绍：

是经典算法，是目前为止使用最广泛的数字签名算法。

RSA数字签名算法的密钥实现与RSA的加密算法是一样的，算法的名称都叫RSA。密钥的产生和转换都是一样的。

RSA数字签名算法主要包括MD和SHA两类。

import java.security.KeyFactory;
    import java.security.KeyPair;
    import java.security.KeyPairGenerator;
    import java.security.PrivateKey;
    import java.security.PublicKey;
    import java.security.Signature;
    import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
    import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
    import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
    import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
    
    import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
    
    public class RSATest { 
        public static final String src = "hello world";
    
        public static void main(String[] args) {
            jdkRSA();
    
        }
    
        /** * 说明： 用java的jdk里面相关方法实现rsa的签名及签名验证 */
        public static void jdkRSA() {
            try {
                // 1.初始化密钥
                KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator
                        .getInstance("RSA");
                //设置KEY的长度
                keyPairGenerator.initialize(512);
                KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
                //得到公钥
                RSAPublicKey rsaPublicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
                //得到私钥
                RSAPrivateKey rsaPrivateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
    
                // 2.进行签名
                //用私钥进行签名
                PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(
                        rsaPrivateKey.getEncoded());
                KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
                //构造一个privateKey
                PrivateKey privateKey = keyFactory
                        .generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
                //声明签名的对象
                Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
                signature.initSign(privateKey);
                signature.update(src.getBytes());
                //进行签名
                byte[] result = signature.sign();
                System.out.println("jdk rsa sign:" + Hex.encodeHexString(result));
    
                // 3.验证签名
                //用公钥进行验证签名
                X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(
                        rsaPublicKey.getEncoded());
                keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
                //构造一个publicKey
                PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(x509EncodedKeySpec);
                //声明签名对象
                signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
                signature.initVerify(publicKey);
                signature.update(src.getBytes());
                //验证签名
                boolean bool = signature.verify(result);
                System.out.println("jdk rsa verify:" + bool);
            } catch (Exception e) {
                System.out.println(e.toString());
            }
    
        }
    
    }

### 四、应用场景 ###

1.  Base64应用场景：图片转码(应用于邮件，img标签，http加密)
2.  MD5应用场景：密码加密、imei加密、文件校验
3.  非对称加密：电商订单付款、银行相关业务