Java实现常用的三种加密算法详解

灰太狼 2023-10-01 23:22 4阅读 0赞

### 前言 ###

编程中常见的加密算法有以下几种，它们在不同场景中分别有应用。除信息摘要算法外，其它加密方式都会需要密钥。

### 密钥 ###

**密钥**（key，又常称**金钥**）是指某个用来完成**加密**、**解密**、**完整性验证**等密码学应用的秘密信息。

#### 密钥分类 ####

*  加解密中的密钥：对称加密中共享相同的密钥，非对称加密中分**公钥**和**私钥**，公钥加密私钥解密。
 *  消息认证码和数字签名中的密钥：在消息认证码中，消息发送方和接收方使用共享密钥进行认证。在数字签名中，签名使用私钥，而验证使用公钥。
 *  会话密钥和主密钥：每次通信只使用一次的密钥称为会话密钥（session key）。相对于会话密钥，重复使用的密钥称为主密钥（master key）。

#### 密钥和密码 ####

密码一般是由用户生成，具有可读性，可以记忆和存储，常用于软件管理，而密钥是供实现加密算法的软件使用，不需要具备可读性（不过在编程中为了方便阅读都进行Base64）。我们也可以通过密码来生成密钥。

#### 密钥管理 ####

*  生成密钥：可以用随机数生成密钥，也可以用口令生成密钥。
 *  配送密钥：可采用事先共享密钥、使用密钥分配中心、使用公钥密码、使用Diffie-Hellman密钥交换。
 *  更新密钥
 *  保存密钥
 *  作废密钥

#### 密钥生成 ####

jdk 中 jce (Java Cryptography Extension) 包含了加密相关的所有[API][]。

**生成对称加密算法的密钥**

public static SecretKey generateKey(int keySize) {
            KeyGenerator keyGenerator;
            try {
                keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
                keyGenerator.init(keySize);
                return keyGenerator.generateKey();
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
                // ignore
                return null;
            }
        }
    复制代码

**生成对称非对称加密算法的密钥**

/**
         * 生成非对称密钥对
         *
         * @param keySize 密钥大小
         * @param random  指定随机来源，默认使用 JCAUtil.getSecureRandom()
         * @return 非对称密钥对
         * @throws NoSuchAlgorithmException NoSuchAlgorithm
         */
        public static PPKeys genKeysRSA(int keySize, SecureRandom random) throws NoSuchAlgorithmException {
            KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
            if (null != random) {
                generator.initialize(keySize, random);
            } else {
                generator.initialize(keySize);
            }
            KeyPair pair = generator.generateKeyPair();
            PPKeys keys = new PPKeys();
            PublicKey publicKey = pair.getPublic();
            PrivateKey privateKey = pair.getPrivate();
            keys.setPublicKey(Base64.getEncoder().encodeToString(publicKey.getEncoded()));
          keys.setPrivateKey(Base64.getEncoder().encodeToString(privateKey.getEncoded()));
            return keys;
        }
    复制代码

**密钥协商**（**Diffie-Hellman**）

密钥协商是一种协议，两方或多方在通过该协议建立相同的共享密钥，然后通讯内容进行对称加密传输，而不需要交换密钥。

大致过程：每一方生成一个公私钥对并将公钥分发给其它方，当都获得其他方的公钥副本后就可以离线计算共享密钥。

Java中提供了 `KeyAgreement` 可以实现密钥协商。

![format_png][]

*  Alice 和 Bob 分别用他们的私钥初始化自己的密钥协商对象 `KeyAgreement` ，调用`init()` 方法；
 *  然后将通信的每一方的公钥 传入执行 `doPhase(Key key, boolean lastPhase)` ；
 *  各方生成共享密钥 `generateSecret()`。

public static void diffieHellman() throws Exception {
            AlgorithmParameterGenerator dhParams = AlgorithmParameterGenerator.getInstance("DH");
            dhParams.init(1024);
            KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
            keyGen.initialize(dhParams.generateParameters().getParameterSpec(DHParameterSpec.class), new SecureRandom());
    
            KeyAgreement aliceKeyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
            KeyPair alicePair = keyGen.generateKeyPair();
            KeyAgreement bobKeyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
            KeyPair bobPair = keyGen.generateKeyPair();
    
            aliceKeyAgree.init(alicePair.getPrivate());
            bobKeyAgree.init(bobPair.getPrivate());
    
            aliceKeyAgree.doPhase(bobPair.getPublic(), true);
            bobKeyAgree.doPhase(alicePair.getPublic(), true);
    
           boolean agree = Base64.getEncoder().encodeToString(aliceKeyAgree.generateSecret()).equals(
              Base64.getEncoder().encodeToString(bobKeyAgree.generateSecret())
            );
            System.out.println(agree);
        }
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### 信息摘要算法 ###

信息摘要算法又叫**加密散列算法**，加密过程不需要密钥，常见的加密散列算法有**MD系列**和**SHA系列**。

一个理想的加密散列函数应该具备以下特性：

*  任何信息传入后，输出的总是长度固定；
 *  消息摘要看起来是“随机的”，这样根据原始信息就很难推测出值；
 *  好的散列函数碰撞概率应该极低，也就是不同信息传入后得到相同值的概率；

#### MD系列 ####

**MD5信息摘要算法**（MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的加密散列函数，输出出一个128位（16字节）的散列值（hash value），MD5最初设计为加密散列函数，而目前发现它存在大量漏洞，所以不建议直接用作加密，不过在非加密场景下如：数据完整性校验，文件完整性校验它仍然有广泛的应用。

public static String md5(String content) {
            try {
                MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("MD5");
                byte[] bytes = digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                return Hex.encodeHexString(bytes);
            } catch (final NoSuchAlgorithmException e) {
                throw new IllegalArgumentException(e);
            }
        }
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#### SHA系列 ####

**安全散列算法**（Secure Hash Algorithm，缩写为SHA）是一个加密散列函数家族，是FIPS(美国联邦信息处理标准)所认证的安全散列算法。能计算出一个数字消息所对应到的，长度固定的字符串（又称消息摘要）的算法。且若输入的消息不同，它们对应到不同字符串的机率很高。

它们分别包含 `SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3`，其中 `SHA-0、SHA-1` 输出长度是160位，`SHA-2` 包含 `SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256`，我们平时常用 `SHA-256` 。

public static String sha256(String content) {
            try {
                MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256);
                byte[] bytes = digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                return Hex.encodeHexString(bytes);
            } catch (final NoSuchAlgorithmException e) {
                throw new IllegalArgumentException(e);
            }
        }
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### 对称加密算法 ###

对称加密算法，双方持有相同密钥进行加解密，常见的对称加密算法：`DES` `3DES` `AES128` `AES192` `AES256`。理解对称加密需要先明白下面几个概念：

*  **分组密码模式**：将明文切割进行加密，再将密文拼接到一起。比如AES中会将明文数据切割为大小16字节的数据块，最后一块不够16字节时，使用Padding模式进行补充。
 *  **填充（Padding）** ：它有三种模式PKCS5、PKCS7和NOPADDING，PKCS5用缺少的字节数来填充，比如缺少5个字节就填充5个数字5，PKCS7缺少的字节数用0来填充。如果数据刚好是16的整数倍，PKCS5和PKCS7会再补充一个16字节数据来区分填充和有效数据，NOPADDING模式不需要填充。
 *  **初始化向量**：初始向量IV的作用是使加密更加安全可靠，在分组密码模式下IV大小对应数据块长度。
 *  **加密模式**：四种加密模式分别是：ECB(电子密码本模式)、CBC(密码分组链接模式)、CFB、OFB。ECB模式是仅仅使用明文和密钥来加密数据，所以该模式下不需要Padding，安全性也较弱，CBC模式数据分块并且使用传入IV依次进行异或操作，安全性也相对较高，所以目前一般都选择CBC模式。
 *  **加密密钥**：不同加密算法密钥长度不同，比如：DES 默认长度56位，3DES默认长度168位，也支持128位，AES默认128位，也支持192位，256位。我们一般根据密码生成密钥，密码长度需要满足算法密钥长度。

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