Java加密与解密艺术

深藏阁楼爱情的钟 2022-07-16 20:48 204阅读 0赞

# 缘起 #

网络中为了保障数据安全性，会对数据做很多增加安全性的操作，比如加密，签名（摘要）等。而加密又分为对称加密和非对称加密，每一种加密方式又有不同加密算法来实现，常见的有比如MD5，DES，AES等，本文主要对常用的加密算法做一个入门。

# 加密算法分类 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMzI5MzM0MzI_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# 单向散列算法 #

单向散列算法又叫签名摘要算法或摘要算法，是**从一段明文中提取一段摘要出来，明文中任何一个字符的变动都会引起摘要的变动，从而实现对原文的真实性做校验**。  
比如有一个压缩包A求出来的摘要为c0bb4f54f1d8b14caf6fe1069e5f93ad，那么用户在下载这个压缩包到本地的时候就可以再次求一下摘要，然后与作者提供的摘要做比对，如果不一样，说明这个压缩包被人修改过，可能被人放入了病毒之类。  
常见的单向散列算法有MD系列,Sha系列，Mac算法。  
**MD5**：md5算法是典型的消息摘要算法，其前身有MD2、MD3和MD4算法，它由MD4、MD3和MD2算法改进而来。

**SHA系列**：也是由MD4演化而来，包括 SHA-1，SHA-224，SHA-256，SHA-384，和 SHA-512 等几种算法。其中，SHA-1，SHA-224 和 SHA-256 适用于长度不超过 2^64 二进制位的消息。SHA-384 和 SHA-512 适用于长度不超过 2^128 二进制位的消息。与MD5主要不同之处在于摘要长度，SHA算法的摘要长度更长，安全性更高。

**HMAC**：类似MD5和SHA，也是给定一个明文，通过HMAC得到这段明文的Hash值，但是与MD和SHA不同的是，HMAC运算的时候需要一个密钥的参与，通常称之为“盐”，其原理为 HMAC 进程将密钥（盐）与消息数据混合，使用哈希函数对混合结果进行哈希计算，将所得哈希值与该密钥混合，然后再次应用哈希函数。 输出的哈希值长度为 160 位。此外，HMAC还能自己生成密钥而非人为构造密钥。调用的时候通常是`hamc("明文"，"盐")`这种方式。MD5和SHA系列在日常的使用过程中为了安全通常也会加盐，只是这个盐是直接拼在明文的后面，比如：`MD5（"明文"+"盐"）`.HMAC可以用来做报文签名，也就是防篡改，发送方在发送报文的时候在报文后面拼接上通过HMAC算法计算出的Hash值，接收方接收到的时候对这个Hash值进行验证，由于密钥（盐）是发送方和接收方提前约定好的，所以中间层即使获取了你的明文，他篡改了报文之后由于没有盐，他就无法得到运算之后的结果。这样接收端方可以验证这段报文的真实性。Java实现Hamc如下

import javax.crypto.Mac;
    import javax.crypto.SecretKey;
    import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
    
    public class HMACSHA1 { 
    
        private static final String MAC_NAME = "HmacSHA1";
        private static final String ENCODING = "UTF-8";
    
        /* * 展示了一个生成指定算法密钥的过程 初始化HMAC密钥 * @return * @throws Exception * public static String initMacKey() throws Exception { //得到一个 指定算法密钥的密钥生成器 KeyGenerator KeyGenerator keyGenerator =KeyGenerator.getInstance(MAC_NAME); //生成一个密钥 SecretKey secretKey =keyGenerator.generateKey(); return null; } */
    
        /** * 使用 HMAC-SHA1 签名方法对对encryptText进行签名 * @param encryptText 被签名的字符串 * @param encryptKey 密钥 * @return * @throws Exception */
        public static byte[] HmacSHA1Encrypt(String encryptText, String encryptKey) throws Exception
        { 
            byte[] data=encryptKey.getBytes(ENCODING);
            //根据给定的字节数组构造一个密钥,第二参数指定一个密钥算法的名称
            SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(data, MAC_NAME);
            //生成一个指定 Mac 算法 的 Mac 对象
            Mac mac = Mac.getInstance(MAC_NAME);
            //用给定密钥初始化 Mac 对象
            mac.init(secretKey);
    
            byte[] text = encryptText.getBytes(ENCODING);
            //完成 Mac 操作
            return mac.doFinal(text);
        }
    }

# 对称加密算法 #

**DES**：使用最广泛的算法，DES 的密钥的位数太短，只有56 比特，加密强度不够，而如果要提高加密强度（例如增加密钥长度），则系统开销呈指数增长。

**3DES**：解决DES密钥太短的问题，密钥长度112-168位，增加了迭代次数，速度较慢，效率不高。使用方式同DES。

**AES**：解决3DES加密效率低，速度慢的问题，成为DES算法的替代者，使用方式同DES。AES是下一代的加密算法标准，速度快，安全级别高。对内存的需求非常低。AES的密钥长度比DES大， AES同时还有AES128,AES192,AES256这些，后面的数字分别代表密钥的比特长度。AES所允许的密钥长度有128(bit),192(bit),256(bit)三个长度，对应的明文就是128/8=16字节，24字节和32字节。但是由于美国出口限制，导致目前只能用16个字节的密钥，用24和32字节的密钥会报错`java.security.InvalidKeyException: Illegal key size or default parameters`，解决方案：https://blog.csdn.net/l1028386804/article/details/42706039

**不管是DES，3DES还是AES的又有五种加密模式：CBC、ECB、CTR、OCF、CFB，每一种加密模式其实现机理又不一样，加密出来的密文也不尽相同。**

# 非对称加密算法 #

**RSA**：该算法有一个公钥和一个私钥。用公钥加密只有这个私钥能解开，用私钥加密也只有公钥能解开。在日常使用中通常私钥是只有服务端有，而公钥是多个客户端有。这样服务端发送的报文每一个客户端都可以解开（此处的应用场景通常用于签名，因为私钥只有服务端有，所以客户端能够解密出来这一段密文，就说明报文是服务端发送的而不是第三方发送的）。而客户端发送的报文也只有服务端能够解开，客户端互相之间是解不开的。故日常用私钥签名，公钥加密。

# 编码算法 #

严格来说编码算法并不属于加密算法，其原理只是对原文进行编码使之变成了一串肉眼无法辨别的编码，但如果通过计算机，能够很容易的再解码为明文，没有任何安全性可言。

**BASE64**：由于某些系统中只能使用ASCII字符。Base64就是用来将非ASCII字符的数据转换成ASCII字符的一种方法。由于ASCII码表是不包含中文的，所以Base64理论上应该不能作用于中文，但实际测试过程中确实是可以，这是什么原因我也不是很清楚，猜测只是把中文转成了字符而已。[BASE64实现原理][BASE64]

**URIEncode**：由于url中对一些字符有限制，比如“+”，“/”等，而传统base64编码后会出现这些字符，这些字符会影响URL的使用，因此出现了UrlBase64编码。

# JDK中对加密算法的支持 #

jdk中对加密算法有不错的支持，我们来看看具体有哪些。  
jdk加密相关jar包以及package:

1.  **rt.jar**：java.security.\*包，定义了消息摘要算法的实现（不包括mac算法）以及加解密算法的使用接口
2.  **jce.jar**：java.crypto.\*包，DES,3DES以及AES中使用较多，RSA中会用到Cipher类。其中包含了DES,3DES以及AES的实现；比较常用的类Cipher，KeyGenerator,SecretKey,Key,SecretKeyFactory
3.  **rt.jar**：java.security.cert.\*包，提供用于解析和管理证书的类和接口，如Certificate以及CertificateFactory
4.  **Bouncy Castle:加密组件**，安全提供者，javajce的补充（如java6不支持MD4，SSH-224,但bc支持），以及一些工具类，如Base64编码（UrlBase64类）以及十六进制编码（Hex类）。

此外还有很多开源组织也提供了很多不错的工具类，比如apache的commons-codec，apache的commons是一个工具包，而commons-codec就是这个工具包中用于加解密的。

下面给出一个在java中使用各种加密方式的代码

package com.bxoon.security;
    
    import org.junit.jupiter.api.Test;
    import sun.misc.BASE64Decoder;
    import sun.misc.BASE64Encoder;
    
    import javax.crypto.Cipher;
    import javax.crypto.SecretKey;
    import javax.crypto.SecretKeyFactory;
    import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
    import java.security.*;
    
    /** * MD5加密 */
    public class MD5Util { 
    
        /** * 功能简述: 测试MD5单向加密. * @throws Exception */
        @Test
        public void test01() throws Exception { 
            String plainText = "Hello , world !";
            MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("md5");
            byte[] cipherData = md5.digest(plainText.getBytes());
            StringBuilder builder = new StringBuilder();
            for(byte cipher : cipherData) { 
                String toHexStr = Integer.toHexString(cipher & 0xff);
                builder.append(toHexStr.length() == 1 ? "0" + toHexStr : toHexStr);
            }
            System.out.println(builder.toString());
        }
    
        /** * 功能简述: 使用BASE64进行双向加密/解密. * @throws Exception */
        @Test
        public void test02() throws Exception { 
            BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
            BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder();
            String plainText = "Hello , world !";
            String cipherText = encoder.encode(plainText.getBytes());
            System.out.println("cipherText : " + cipherText);
            //cipherText : SGVsbG8gLCB3b3JsZCAh
            System.out.println("plainText : " +
                    new String(decoder.decodeBuffer(cipherText)));
        }
    
        /** * 功能简述: 使用DES对称加密/解密. * @throws Exception */
        @Test
        public void test03() throws Exception { 
            String plainText = "Hello , world !";
            String key = "12345678";    //要求key至少长度为8个字符
    
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            DESKeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("des");
            SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(keySpec);
    
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("des");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, random);
            byte[] cipherData = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
            System.out.println("cipherText : " + new BASE64Encoder().encode(cipherData));
            //PtRYi3sp7TOR69UrKEIicA==
    
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, random);
            byte[] plainData = cipher.doFinal(cipherData);
            System.out.println("plainText : " + new String(plainData));
            //Hello , world !
        }
    
        /** * 功能简述: 使用RSA非对称加密/解密. * @throws Exception */
        @Test
        public void test04() throws Exception { 
            String plainText = "Hello , world !";
    
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("rsa");
            keyPairGenerator.initialize(1024);
            KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
    
            PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
            PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
            SecureRandom random = new SecureRandom();
    
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("rsa");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey, random);
            byte[] cipherData = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
            System.out.println("cipherText : " + new BASE64Encoder().encode(cipherData));
    
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey, random);
            byte[] plainData = cipher.doFinal(cipherData);
            System.out.println("plainText : " + new String(plainData));
            //Hello , world !
    
            Signature signature  = Signature.getInstance("MD5withRSA");
            signature.initSign(privateKey);
            signature.update(cipherData);
            byte[] signData = signature.sign();
            System.out.println("signature : " + new BASE64Encoder().encode(signData));
            //ADfoeKQn6eEHgLF8ETMXan3TfFO03R5u+cQEWtAQ2lRblLZw1DpzTlJJt1RXjU451I84v3297LhR
            //co64p6Sq3kVt84wnRsQw5mucZnY+jRZNdXpcbwh2qsh8287NM2hxWqp4OOCf/+vKKXZ3pbJMNT/4
            ///t9ewo+KYCWKOgvu5QQ=
    
            signature.initVerify(publicKey);
            signature.update(cipherData);
            boolean status = signature.verify(signData);
            System.out.println("status : " + status);
            //true
        }
    
    }

部分代码参考：https://www.cnblogs.com/fishou/p/4159092.html

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[BASE64]: https://blog.csdn.net/happylee6688/article/details/43950521