加密算法

作者: Henryzhu | 来源:发表于2017-06-18 22:39 被阅读241次

概述

之前一直对加密相关的算法知之甚少，只知道类似DES、RSA等加密算法能对数据传输进行加密，且各种加密算法各有优缺点。但是一直没有详细的研究并形成系统的认知。刚好最近看到一篇关于Android开发加密相关的文章，因此决定把加密相关的东西简单梳理一下。

定义

数据加密的基本过程就是对原来为明文的文件或数据按某种算法进行处理，使其成为不可读的一段代码，通常称为“密文”，使其只能在输入相应的密钥之后才能显示出本来内容，通过这样的途径来达到保护数据不被非法人窃取、阅读的目的。该过程的逆过程为解密，即将该编码信息转化为其原来数据的过程。

该段文字摘自百度百科

分类

单向加密算法
单向加密又称为不可逆加密算法，在加密过程中不使用密钥，明文由系统加密处理成密文，密文无法解密。一般适合于验证，在验证过程中，重新输入明文，并经过同样的加密算法处理，得到相同的密文并被系统重新认证。广泛使用于口令加密。例如，用户在注册后密码被经过MD5加密后保存在数据库，这样即使是数据库管理员也没法知道密码是什么。
该算法有如下特点：
1、对同一消息反复执行加密得到相同的密文。
2、加密算法生成的密文不可预见，和明文没任何关系。
3、明文的任何微小的变化都会对密文产生很大影响。
4、不可逆，即不能通过密文获取明文。
比较流行的加密算法：MD5和SHA1。MD5与SHA1都是Hash算法，两个相比。MD5输出是128位的，SHA1输出是160位的，MD5比SHA1快，SHA1比MD5强度高。下面会有两种算法的java代码实现。
对称式加密算法
对称加密算法的特点是：使用的密钥只有一个，发收信双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密，要求解密方事先必须知道加密密钥。它的优点是：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。缺点是：双方都使用同样钥匙，安全性得不到保证。每对用户每次使用对称加密算法时，都需要使用其他人不知道的惟一钥匙，这会使得发收信双方所拥有的钥匙数量呈几何级数增长，密钥管理成为用户的负担。对称加密算法在分布式网络系统上使用较为困难，主要是因为密钥管理困难，使用成本较高。
常见的对称加密算法有：DES、3DES、AES等。
非对称式加密算法
非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥（publickey）和私有密钥（privatekey）。公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。简单的说是“公钥加密，私钥解密；私钥加密，公钥解密”。
常见的非对称加密算法有：RSA。值得一提的是，RSA是目前最有影响力的公钥加密算法，它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。

常见的加密算法

MD5
MD5，全称是Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法5），它是一种单向加密算法，也就是只能加密，不能解密。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。作用基本与SHA1类似。
MD5目前的应用一般有三种：
1.一致性验证。
MD5的典型应用是对一段信息（Message）产生信息摘要（Message-Digest），以防止被篡改。我们常常在某些软件下载站点的某软件信息中看到其MD5值，它的作用就在于我们可以在下载该软件后，对下载回来的文件用专门的软件（如Windows MD5 Check等）做一次MD5校验，以确保我们获得的文件与该站点提供的文件为同一文件。
2.数字签名。
MD5的典型应用是对一段Message(字节串)产生fingerprint(指纹)，以防止被“篡改”。举个例子，你将一段话写在一个叫 readme.txt文件中，并对这个readme.txt产生一个MD5的值并记录在案，然后你可以传播这个文件给别人，别人如果修改了文件中的任何内容，你对这个文件重新计算MD5时就会发现（两个MD5值不相同）。如果再有一个第三方的认证机构，用MD5还可以防止文件作者的“抵赖”，这就是所谓的数字签名应用。
3.安全访问认证
MD5还广泛用于操作系统的登陆认证上，如在Unix系统中用户的密码是以MD5（或其它类似的算法）经Hash运算后存储在文件系统中。当用户登录的时候，系统把用户输入的密码进行MD5 Hash运算，然后再去和保存在文件系统中的MD5值进行比较，进而确定输入的密码是否正确。通过这样的步骤，系统在并不知道用户密码的明码的情况下就可以确定用户登录系统的合法性。这可以避免用户的密码被具有系统管理员权限的用户知道。MD5将任意长度的“字节串”映射为一个128bit的大整数，并且是通过该128bit反推原始字符串是困难的，换句话说就是，即使你看到源程序和算法描述，也无法将一个MD5的值变换回原始的字符串。
MD5的加密算法代码如下：

public static String MD5Encrypt(String msg){
        if (msg==null||msg.trim().length()==0){
            return "";
        }
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
            md.update(msg.getBytes());
            byte[] encrypMsg = md.digest();
            return new String(encrypMsg);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

SHA的加密算法代码如下：

//安全散列算法（Secure Hash Algorithm），对长度不超过264位的二进制消息产生160位的消息摘要输出。
public static String SHAEncrypt(String msg){
        if (msg==null||msg.trim().length()==0){
            return "";
        }
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA");
            md.update(msg.getBytes());
            byte[] encrypMsg = md.digest();
            return new String(encrypMsg);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

Base64
Base64是网络上最常见的用于传输8Bit字节代码的编码方式之一，Base64并不是安全领域的加密算法，其实Base64只能算是一个编码算法，对数据内容进行编码来适合传输。标准Base64编码解码无需额外信息即完全可逆，即使你自己自定义字符集设计一种类Base64的编码方式用于数据加密，在多数场景下也较容易破解。Base64编码本质上是一种将二进制数据转成文本数据的方案。对于非二进制数据，是先将其转换成二进制形式，然后每连续6比特（2的6次方=64）计算其十进制值，根据该值在A--Z,a--z,0--9,+,/ 这64个字符中找到对应的字符，最终得到一个文本字符串。基本规则如下几点：
1、标准Base64只有64个字符（英文大小写、数字和+、/）以及用作后缀等号；
2、Base64是把3个字节变成4个可打印字符，所以Base64编码后的字符串一定能被4整除（不算用作后缀的等号）；
3、等号一定用作后缀，且数目一定是0个、1个或2个。这是因为如果原文长度不能被3整除，Base64要在后面添加\0凑齐3n位。为了正确还原，添加了几个\0就加上几个等号。显然添加等号的数目只能是0、1或2；
严格来说Base64不能算是一种加密，只能说是编码转换。

Base64编码表.png

作用：在计算机中任何数据都是按ascii码存储的，而ascii码的128～255之间的值是不可见字符。而在网络上交换数据时，比如说从A地传到B地，往往要经过多个路由设备，由于不同的设备对字符的处理方式有一些不同，这样那些不可见字符就有可能被处理错误，这是不利于传输的。所以就先把数据先做一个Base64编码，统统变成可见字符，这样出错的可能性就大降低了。

DES
DES算法全称为Data Encryption Standard，即数据加密标准算法，它是IBM公司于1975年研究成功并公开发表的。DES算法的入口参数有三个:Key、Data、Mode。其中 Key为7个字节共56位,是DES算法的工作密钥;Data为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据;Mode为DES的工作方式,有两种:加密或解密。
DES算法的标准加密解密代码如下：

private static final String PASSWORD_CRYPT_KEY = "!@#$%^&*()_+~`=-";

    private final static String DES = "DES";
    /**
     * 加密
     *
     * @param src 数据源
     * @param key 密钥，长度必须是8的倍数
     * @return 返回加密后的数据
     */
public static byte[] encrypt(byte[] src, byte[] key) throws Exception {
        //步骤一：根据key生成密钥
        //DES算法要求有一个可信任的随机数源
        SecureRandom sr = new SecureRandom();
        // 从原始密匙数据创建DESKeySpec对象
        DESKeySpec dks = new DESKeySpec(key);
        // 创建一个密匙工厂，然后用它把DESKeySpec转换成
        // 一个SecretKey对象
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(DES);
        SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(dks);

        //步骤二：加密操作
        // Cipher对象实际完成加密操作
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES);
        // 用密匙初始化Cipher对象
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, securekey, sr);
        // 现在，获取数据并加密
        // 正式执行加密操作
        return cipher.doFinal(src);
}

    /**
     * 解密
     *
     * @param src 数据源
     * @param key 密钥，长度必须是8的倍数
     * @return 返回解密后的原始数据
     */
    public static byte[] decrypt(byte[] src, byte[] key) throws Exception {
        // DES算法要求有一个可信任的随机数源
        SecureRandom sr = new SecureRandom();
        // 从原始密匙数据创建一个DESKeySpec对象
        DESKeySpec dks = new DESKeySpec(key);
        // 创建一个密匙工厂，然后用它把DESKeySpec对象转换成
        // 一个SecretKey对象
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(DES);
        SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(dks);

        // Cipher对象实际完成解密操作
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES);
        // 用密匙初始化Cipher对象
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, securekey, sr);
        // 现在，获取数据并解密
        // 正式执行解密操作
        return cipher.doFinal(src);
    }

3DES
3DES也称为3DESede或TripleDES，是三重数据加密算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）块密码的通称。它相当于是对每个数据块应用三次DES加密算法。由于计算机运算能力的增强，原版DES密码的密钥长度变得容易被暴力破解；3DES即是设计用来提供一种相对简单的方法，即通过增加DES的密钥长度来避免类似的攻击。可以简单理解为DES加密的升级版。
3DES加密的过程为：C=Ek3(Dk2(Ek1(M)))。即明文M通过密钥K1进行DES加密，得到密文1。然后对得到的密文1通过密钥K2进行解密得到密文2。最后对得到的密文2通过密钥3进行加密得到最终的密文3。
3DES解密过程为：M=Dk1(EK2(Dk3(C)))。解密的过程基本是加密的反向操作，依次通过密钥K3、K2、K1进行解密、加密以及解密的操作得到明文内容。
3DES算法的标准加密解密代码如下：

public class TripleDESUtils {

    // 密钥, 3DES的密钥必须是24位的byte数组,否则会报错
    private final static String secretKey = "123456789012345678901234";
    // 向量
    private final static String iv = "01234567";
    // 加解密统一使用的编码方式
    private final static String encoding = "utf-8";

    /**
     * 3DES加密
     *
     * @param plainText 普通文本
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String encode(String plainText) throws Exception {
        Key deskey = null;
        System.out.println("secretkey.length="+secretKey.length());
        System.out.println("iv.length="+iv.length());
        DESedeKeySpec spec = new DESedeKeySpec(secretKey.getBytes());
        SecretKeyFactory keyfactory = SecretKeyFactory.getInstance("desede");
        deskey = keyfactory.generateSecret(spec);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("desede/CBC/PKCS5Padding");
        IvParameterSpec ips = new IvParameterSpec(iv.getBytes());
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey, ips);
        byte[] encryptData = cipher.doFinal(plainText.getBytes(encoding));
        return new String(Base64.encode(encryptData,Base64.DEFAULT),encoding);//从byte数组转成字符串，一般有两种方式，base64处理和十六进制处理。
    }

    /**
     * 3DES解密
     *
     * @param encryptText 加密文本
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String decode(String encryptText) throws Exception {
        Key deskey = null;
        DESedeKeySpec spec = new DESedeKeySpec(secretKey.getBytes());
        SecretKeyFactory keyfactory = SecretKeyFactory.getInstance("desede");
        deskey = keyfactory.generateSecret(spec);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("desede/CBC/PKCS5Padding");
        IvParameterSpec ips = new IvParameterSpec(iv.getBytes());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey, ips);

        byte[] decryptData = cipher.doFinal(Base64.decode(encryptText,Base64.DEFAULT));

        return new String(decryptData, encoding);
    }
}

AES
高级加密标准（英语：Advanced Encryption Standard，缩写：AES），在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。它属于对称加密算法。它的出现是为了替代DES加密算法。
AES算法的标准加密解密代码如下：

/**偏移量,必须是16位字符串*/
    private static final String IV_STRING = "16-Bytes--String";

    /**
     * 默认的密钥
     */
    public static final String DEFAULT_KEY = "1bd83b249a414036";

    /**
     * 产生随机密钥(这里产生密钥必须是16位)
     */
    public static String generateKey() {
        String key = UUID.randomUUID().toString();
        key = key.replace("-", "").substring(0, 16);// 替换掉-号
        return key;
    }

    public static String encryptData(String key, String content) {
        byte[] encryptedBytes = new byte[0];
        try {
            byte[] byteContent = content.getBytes("UTF-8");
            // 注意，为了能与 iOS 统一
            // 这里的 key 不可以使用 KeyGenerator、SecureRandom、SecretKey 生成
            byte[] enCodeFormat = key.getBytes();
            SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES");
            byte[] initParam = IV_STRING.getBytes();
            IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(initParam);
            // 指定加密的算法、工作模式和填充方式
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec, ivParameterSpec);
            encryptedBytes = cipher.doFinal(byteContent);
            // 同样对加密后数据进行 base64 编码
            return Base64Utils.encode(encryptedBytes);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    public static String decryptData(String key, String content) {
        try {
            // base64 解码
            byte[] encryptedBytes = Base64Utils.decode(content);
            byte[] enCodeFormat = key.getBytes();
            SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES");
            byte[] initParam = IV_STRING.getBytes();
            IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(initParam);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, ivParameterSpec);
            byte[] result = cipher.doFinal(encryptedBytes);
            return new String(result, "UTF-8");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        String plainText = AESUtils.decryptData("F431E6FF9051DA07", "q8jHYk6LSbwC2K4zmr/wRZo8mlH0VdMzPEcAzQadTCpSrPQ/ZnTmuIvQxiLOnUXu");
        System.out.println("aes加密后: " + plainText);
    }

RSA
RSA加密算法的名称由三位发明人的名字首字母组合而成，它属于非对称加密算法。因此基本的加密方式也是通过两个密钥，实现过程是：公钥加密，私钥解密；私钥加密，公钥解密。RSA是目前最有影响力的公钥加密算法，它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。
RSA算法的标准加密解密代码如下：

public static final String PRIVATE_KEY = "MIICdgIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCAmAwggJcA";
public static final String PUBLIC_KEY =  "IGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNA";
/** RSA最大加密明文大小 */
    private static final int MAX_ENCRYPT_BLOCK = 117;

    /** RSA最大解密密文大小 */
    private static final int MAX_DECRYPT_BLOCK = 128;

    /** 加密算法RSA */
    private static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";

    /**
     * 生成公钥和私钥
     *
     * @throws Exception
     *
     */
    public static void getKeys() throws Exception {
        KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        keyPairGen.initialize(1024);
        KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
        RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
        RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();

        String publicKeyStr = getPublicKeyStr(publicKey);
        String privateKeyStr = getPrivateKeyStr(privateKey);

        System.out.println("公钥\r\n" + publicKeyStr);
        System.out.println("私钥\r\n" + privateKeyStr);
    }

    public static String getPrivateKeyStr(PrivateKey privateKey)
            throws Exception {
        return new String(Base64.encode(privateKey.getEncoded(),Base64.DEFAULT));
    }

    public static String getPublicKeyStr(PublicKey publicKey) throws Exception {
        return new String(Base64.encode(publicKey.getEncoded(),Base64.DEFAULT));
    }

    /**
     * 公钥加密
     *
     * @param data
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String encryptByPublicKey(String data) throws Exception {
        byte[] dataByte = data.getBytes();
        byte[] keyBytes = Base64.decode(PUBLIC_KEY,Base64.DEFAULT);
        X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        Key publicK = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
        // 对数据加密
        // Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicK);
        int inputLen = dataByte.length;
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
        int offSet = 0;
        byte[] cache;
        int i = 0;
        // 对数据分段加密
        while (inputLen - offSet > 0) {
            if (inputLen - offSet > MAX_ENCRYPT_BLOCK) {
                cache = cipher.doFinal(dataByte, offSet, MAX_ENCRYPT_BLOCK);
            } else {
                cache = cipher.doFinal(dataByte, offSet, inputLen - offSet);
            }
            out.write(cache, 0, cache.length);
            i++;
            offSet = i * MAX_ENCRYPT_BLOCK;
        }
        byte[] encryptedData = out.toByteArray();
        out.close();
        return new String(Base64.encode(encryptedData,Base64.DEFAULT));
    }

    /**
     * 私钥解密
     *
     * @param data
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String decryptByPrivateKey(String data) throws Exception {
        byte[] encryptedData = Base64.decode(data,Base64.DEFAULT);
        byte[] keyBytes = Base64.decode(PRIVATE_KEY,Base64.DEFAULT);
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        Key privateK = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        // Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");

        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateK);
        int inputLen = encryptedData.length;
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
        int offSet = 0;
        byte[] cache;
        int i = 0;
        // 对数据分段解密
        while (inputLen - offSet > 0) {
            if (inputLen - offSet > MAX_DECRYPT_BLOCK) {
                cache = cipher
                        .doFinal(encryptedData, offSet, MAX_DECRYPT_BLOCK);
            } else {
                cache = cipher
                        .doFinal(encryptedData, offSet, inputLen - offSet);
            }
            out.write(cache, 0, cache.length);
            i++;
            offSet = i * MAX_DECRYPT_BLOCK;
        }
        byte[] decryptedData = out.toByteArray();
        out.close();
        return new String(decryptedData);
    }

常见的几种加密算法已经基本都有提到了，但是目前还只是对它们的概念和标准加密算法进行了总结，而且在实际项目中，目前也只用了DES和3DES加密，所以还需要对各种加密算法的使用场景进行理解。希望上面的介绍也可以帮到大家。

参考链接：
http://www.cnblogs.com/whoislcj/p/5887859.html
https://mp.weixin.qq.com/s/-Jb-_PpbEN5HYpueUqtxzA

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