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前言
本文主要讲解常用加密算法,消息摘要,二进制字符变换等的java实现,对于加密算法本身的原理只会做简单的介绍,详细的原理可百度。
相关概念
- 加密
加密是指将可读取的明文作为输入,通过特定的变换操作得到不易读取的输出(通常是二进制序列),目前常用的加密算法包括 对称加密的AES/DES,非对称加密的RSA/DSA/EC,加密很重要的一点就是解密,无论多复杂的数学变换,一定可以通过相应的逆变换得到原始输入,这是的加密行为才有意义。
- hash(哈希变换)
hash值又称散列值或者消息摘要,对输入的字符串或者二进制序列通过一定的变换得到
固定长度的输出
,它是一个不可逆的过程,理解这个不可逆的过程可以从数学中的求余函数理解,例如:11/10 = 1 ... 1余数是1,以除以10
作为变换,余数
1作为输出,不可能通过余数是1得到被除数是11,因为有可能是21、31、41。。。。。。等等,同时和求余类似,hash碰撞指的就是不同的输入可能得到相同的输出。当然对于真正的hash变换,不可能像求余过程如此简单,但是这个不可逆过程的原理是类似的。常用的hash变换有MD5/SHA1/HmacSHA1/HmacMD5....
等,hash变换的目的并不是让输入不可读取,而是让输入不可改变。
- 字节变换
文件通常会分为文本文件和二进制文件,文本文件通过(Unicode/UTF-8/ASCII)编码之后是可以读取的,而二进制文件是不可读的,因为部分数值没有对应的编码。但是在开发过程中,很多时候需要将不可读的二进制数据转成可读的字符串进行传输,因此就有了字节变换操作,常用的字节变换操作有
Base64,UrlEncoder
,还有通过将二进制转成十六进制字符进行变换,在MD5和SHA1变换中常用。字节变换最主要的目的是:将不易读取或者不易传输的数据转成易读取或者易传输的字符串
相关api介绍
java中对于加密的支持api都在
java.security
和javax.crypto
包下,主要用到的类有:
Cipher
主要用于加密行为,如进行AES/DES/RSA等加密行为
- 初始化对象
static Cipher getInstance(String transformation)
transformation
的组成可以概括为algorithm/mode/padding,algorithm
用于指定加密的方式,mode
用于指定特定加密方式的变换模式,padding
是字节填充规则。mode
和padding
可以不写,可用的transformation
组合有:
//括号数值为所需秘钥的长度
AES/CBC/NoPadding (128)
AES/CBC/PKCS5Padding (128)
AES/ECB/NoPadding (128)
AES/ECB/PKCS5Padding (128)
DES/CBC/NoPadding (56)
DES/CBC/PKCS5Padding (56)
DES/ECB/NoPadding (56)
DES/ECB/PKCS5Padding (56)
DESede/CBC/NoPadding (168)
DESede/CBC/PKCS5Padding (168)
DESede/ECB/NoPadding (168)
DESede/ECB/PKCS5Padding (168)
RSA/ECB/PKCS1Padding (1024, 2048)
RSA/ECB/OAEPWithSHA-1AndMGF1Padding (1024, 2048)
RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding (1024, 2048)
- 初始化参数
void init(int opmode, Key key)
opmode
用于指定该对象是要进行加密还是解密,key
是加密所用的秘钥信息。
- 加密方法
byte[] doFinal(byte[] input)
cipher.doFinal(byte[] input)
等同于cipher.update(byte[] input); cipher.doFinal();
示例代码:
- AES加解密
@org.junit.Test
public void testCipherAES() throws Exception {
//指定使用AES加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
//使用KeyGenerator生成key,参数与获取cipher对象的algorithm必须相同
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
//指定生成的密钥长度为128
keyGenerator.init(128);
Key key = keyGenerator.generateKey();
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] bytes = cipher.doFinal("helloworld".getBytes());
System.out.println("AES加密: " + Base64.getEncoder().encodeToString(bytes));
//由于AES加密在CBC模式下是需要有一个初始向量数组byte[] initializeVector ,
// 而解密的时候也需要同样的初始向量,因此需要使用加密时的参数初始化解密的cipher,否则会出错
byte[] initializeVector = cipher.getIV();
IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(initializeVector);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, ivParameterSpec);
//上面三步操作可以用此操作代替 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, cipher.getParameters());
bytes = cipher.doFinal(bytes);
System.out.println("AES解密: " + new String(bytes));
}
//输出
AES加密: pRy4ZbW7qgZ33iWBJ60BDA==
AES加密: helloworld
- DES加解密
@org.junit.Test
public void testCipherDES() throws Exception {
//指定使用DES加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
//使用KeyGenerator生成key,参数与获取cipher对象的algorithm必须相同
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DES");
//DES的秘钥长度必须是56位
keyGenerator.init(56);
Key key = keyGenerator.generateKey();
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] bytes = cipher.doFinal("helloworld".getBytes());
System.out.println("DES加密: " + Base64.getEncoder().encodeToString(bytes));
//与AES不同,由于DES并不需要初始向量,因此解密的时候不需要第三个参数
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
bytes = cipher.doFinal(bytes);
System.out.println("DES解密: " + new String(bytes));
}
//输出
DES加密: XoG4lEjZN4VBlZYTXjw6BQ==
DES解密: helloworld
- RSA加解密
@org.junit.Test
public void testCipherRSA() throws Exception {
//获取cipher对象
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
//通过KeyPairGenerator来生成公钥和私钥
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
keyPairGenerator.initialize(1024);
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();//公钥
PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();//私钥
/*加密*/
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
byte[] bytes = cipher.doFinal(TEXT.getBytes());
final String encryptText = Base64.getEncoder().encodeToString(bytes);
System.out.println("RSA公钥加密:" + encryptText);
/*解密*/
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
bytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptText));
System.out.println("RSA解密:" + new String(bytes));
}
//输出
RSA公钥加密:bKbbpARpcHcCqcMdGmA/WzvyO2G3eXFJhmrK5F0yFlJsoGohg4XIq5egNc1eBQwP7BRD6m7c12byB/KpYNgWg7J5Y3kupWBahZyhJ7SWWF0YY9CrdWf55zQ/CPyn+KlWQg1ViBnIBnejABFuqjDgBmZ3Q3txT1tD4MIpGPCE+NY=
RSA私钥解密:helloworld
Mac
该类主要用作Hmac运算,初始化方法
Mac.getInstance(String algorithm)
的可用参数有
HmacMD5
HmacSHA1
HmacSHA224
HmacSHA256
HmacSHA384
HmacSHA512
示例代码
@org.junit.Test
public void testHmac() throws Exception {
Mac mac = Mac.getInstance("HmacMD5");
//第一个参数可以是任意字符串,第二个参数与获取Mac对象的algorithm相同
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec("123456".getBytes(), "HmacMD5");
mac.init(secretKeySpec);
byte[] bytes = mac.doFinal("helloworld".getBytes());
System.out.println("HmacMD5结果:" + HexUtil.toHexString(bytes));
mac = Mac.getInstance("HmacSHA1");
mac.init(new SecretKeySpec("123456".getBytes(), "HmacSHA1"));
bytes = mac.doFinal("helloworld".getBytes());
System.out.println("HmacSHA1结果:" + HexUtil.toHexString(bytes));
}
//输出
HmacMD5结果:2449233556af565ecbb2fd6266df853b
HmacSHA1结果:ef9079b9e2e79c67a962f87e2a87af4f35c2ae37
Signature
signature类用于提供数字签名,用于保证数据的完整性
示例代码,Signature.getInstance(String algorithm)
的可用参数有
NONEwithRSA
MD2withRSA
MD5withRSA
SHA1withRSA
SHA224withRSA
SHA256withRSA
SHA384withRSA
SHA512withRSA
NONEwithDSA
SHA1withDSA
SHA224withDSA
SHA256withDSA
NONEwithECDSA
SHA1withECDSA
SHA224withECDSA
SHA256withECDSA
SHA384withECDSA
SHA512withECDSA
示例代码:
@org.junit.Test
public void testSignature() throws Exception {
Signature signature = Signature.getInstance("NONEwithRSA");
//KeyPairGenerator生成公钥和私钥
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
keyPairGenerator.initialize(1024);
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
//用私钥初始化signature
signature.initSign(privateKey);
//更新原始字符串
signature.update(TEXT.getBytes());
byte[] bytes = signature.sign();
String sign = Base64.getEncoder().encodeToString(bytes);
System.out.println("数字签名: " + sign);
//用公钥初始化signature
signature.initVerify(publicKey);
//更新原始字符串
signature.update(TEXT.getBytes());
//校验签名是否正确
boolean result = signature.verify(Base64.getDecoder().decode(sign));
System.out.println("签名校验结果: " + result);
}
MessageDigest
MessageDigest
主要是做hash变换(也称消息摘要或者散列值)
示例代码:
@org.junit.Test
public void testMessageDigest() throws Exception {
//参数可以是 MD5,MD2,MD5,SHA-1,SHA-224,SHA-256,SHA-384,SHA-512
MessageDigest messageDigest = MessageDigest.getInstance("MD5");
byte[] bytes = messageDigest.digest("helloworld".getBytes());
//将二进制数组转成16进制字符串输出
System.out.println("MD5哈希变换:" + HexUtil.toHexString(bytes));
messageDigest = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
bytes = messageDigest.digest("helloworld".getBytes());
System.out.println("SHA1哈希变换:" + HexUtil.toHexString(bytes));
}
//HexUtil
public static String toHexString(byte[] data) {
StringBuilder builder = new StringBuilder();
int len = data.length;
String hex;
for (int i = 0; i < len; i++) {
hex = Integer.toHexString(data[i] & 0xFF);
if (hex.length() == 1) {
builder.append("0");
}
builder.append(hex);
}
return builder.toString();
}
//输出 可以通过标准在线工具检验输出结果的准确性
MD5哈希变换:fc5e038d38a57032085441e7fe7010b0
SHA1哈希变换:6adfb183a4a2c94a2f92dab5ade762a47889a5a1
KeyGenerator
用于生成秘钥,
KeyGenerator.getInstance(String algorithm)
支持的参数有
AES (128)
DES (56)
DESede (168)
HmacSHA1
HmacSHA256
示例代码
@org.junit.Test
public void testKeyGenerator() throws Exception {
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
//初始化方法有多种,根据需要选择
keyGenerator.init(128);
// keyGenerator.init(new SecureRandom("1234567".getBytes()));
SecretKey key = keyGenerator.generateKey();
//key的二进制编码 将它保存到文件中
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] bytes = cipher.doFinal("helloworld".getBytes());
System.out.println("加密数据: " + Base64.getEncoder().encodeToString(bytes));
/*=========保存key的二进制编码=========*/
byte[] keyBytes = key.getEncoded();
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("F://test/key.txt");
fos.write(keyBytes);
fos.flush();
fos.close();
/*============从文件中读取编码并恢复key==============*/
FileInputStream fis = new FileInputStream("F://test/key.txt");
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
int len;
byte[] buffer = new byte[1024];
while ((len = fis.read(buffer)) > 0) {
bos.write(buffer, 0, len);
}
fis.close();
/*==============使用SecretKeySpec重新生成key============*/
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(bos.toByteArray(), "AES");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec, cipher.getParameters().getParameterSpec(IvParameterSpec.class));
bytes = cipher.doFinal(bytes);
System.out.println("解密数据: " + new String(bytes));
}
//输出
加密数据: 0vUaeC2VWEvVpUWeDfgGhg==
解密数据: helloworld
KeyPairGenerator
KeyPairGenerator用于生成一对密钥对,用于做非对称加密操作。
KeyPairGenerator.getInstance(String alorithm)
的可用参数为:
DSA
RSA
EC
代码生成的密钥对通常需要将公钥和私钥保存到文件中,这样才能够持久化进行操作,下面演示两种保存的实现
- 分别保存公钥和私钥的二进制编码
@org.junit.Test
public void testSaveKeyPair2() throws Exception {
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
keyPairGenerator.initialize(1024);
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
PublicKey oldPbk = keyPair.getPublic();
PrivateKey oldPrk = keyPair.getPrivate();
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
/*============使用原始私钥加密,重新生成的公钥解密===============*/
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, oldPrk);
byte[] bytes = cipher.doFinal("helloworld".getBytes());
System.out.println("原始私钥加密: " + Base64.getEncoder().encodeToString(bytes));
/*提取公钥的比特编码经过Base64转换后保存到文件,注意公钥的比特编码是X.509格式*/
byte[] pbks = Base64.getEncoder().encode(oldPbk.getEncoded());
File file = new File("F://test/public.key");
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
fos.write(pbks);
fos.flush();
fos.close();
/*从文件中提取公钥比特编码并恢复成公钥*/
file = new File("F://test/public.key");
FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
byte[] buffer = new byte[1024];
int len;
while ((len = fis.read(buffer)) > 0) {
bos.write(buffer, 0, len);
}
pbks = Base64.getDecoder().decode(bos.toByteArray());
X509EncodedKeySpec encodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(pbks);
//重新得到公钥
PublicKey newPbk = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(encodedKeySpec);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, newPbk);
bytes = cipher.doFinal(bytes);
System.out.println("新的公钥解密: " + new String(bytes));
/*============使用原始公钥加密,重新生成的私钥解密===============*/
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, oldPbk);
bytes = cipher.doFinal("helloworld".getBytes());
System.out.println("原始私钥加密: " + Base64.getEncoder().encodeToString(bytes));
/*省略了文件存取操作,与公钥相同*/
byte[] prks = oldPrk.getEncoded();
/*私钥的比特编码是pkcs8格式*/
PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(prks);
PrivateKey newPrk = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, newPrk);
bytes = cipher.doFinal(bytes);
System.out.println("新的私钥解密: " + new String(bytes));
}
//输出
原始私钥加密: CO7FU1hQsEd8fYV4ZfWXquo/qrktte2n/WakdHJuw001aa9RM/mYl6yC6jLMGlm0fxuYlH92Zv9jA7k/0TVuor8Csvzmbm00RMBhnQCme+aQQbSoZDZEwJj1HtW6aK5MJRI4l/1W+g5X+Fs/6TLlbXpJM0k4epGMKUWwhO6cUiM=
新的公钥解密: helloworld
原始私钥加密: ixqqoM3aRig3P6GGPICsSOdH8KXRrlFn9GB1OVIWt46Q9ROsS84BW693fKB9ea8CnLJayc2KU1yhPlHHqq08gU8WOxVYeBQ4Bi3MnoJzUluE/UWNaMYZt/jCB6NZx57XEpNJ6uKG5TUmZJm+eoK0BF7A8sOX96UbPuZlHd4lD0w=
新的私钥解密: helloworld
- 保存密钥对的特征值 公钥(N,e)私钥(N,d)
@org.junit.Test
public void testSaveKeyPair() throws Exception {
final String algorithm = "RSA";
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(algorithm);
keyPairGenerator.initialize(1024);
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
/*特征值N e d*/
BigInteger N = publicKey.getModulus();
BigInteger e = publicKey.getPublicExponent();
BigInteger d = privateKey.getPrivateExponent();
/**/
String nStr = Base64.getEncoder().encodeToString(N.toByteArray());
String eStr = Base64.getEncoder().encodeToString(e.toByteArray());
String dStr = Base64.getEncoder().encodeToString(d.toByteArray());
/*将这三个字符串保存到文件或者数据库,通常n,e可以保存在客户端,而n,d的数据必须保存在服务端*/
N = new BigInteger(Base64.getDecoder().decode(nStr));
e = new BigInteger(Base64.getDecoder().decode(eStr));
d = new BigInteger(Base64.getDecoder().decode(dStr));
/*根据N,e生成公钥*/
RSAPublicKeySpec publicKeySpec = new RSAPublicKeySpec(N, e);
PublicKey pbk = KeyFactory.getInstance(algorithm).generatePublic(publicKeySpec);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pbk);
//bytes 是加密后的数据
byte[] bytes = cipher.doFinal("helloworld".getBytes());
//用base64转换输出
System.out.println("加密数据:" + Base64.getUrlEncoder().encodeToString(bytes));
/*根据N,d生成私钥*/
RSAPrivateKeySpec ps = new RSAPrivateKeySpec(N, d);
PrivateKey prk = KeyFactory.getInstance(algorithm).generatePrivate(ps);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, prk);
bytes = cipher.doFinal(bytes);
System.out.println("解密数据:" + new String(bytes));
}
//输出
加密数据:nVqRtqMDvnm-4pjW0R1Q6sRCRbLpK4WRtG342ydEa8069Kv2OVRGE1Rm3iEFZjFCyh_z_0jlf5liqCgDCkN9I2Ci1qWvrvQo9wZKQG5g86OrxWHs7n1Kg_SXR3rNC-55jPxQAYUXpw-U9XX4ls7aQ85pk2BMZLYoRbwo3ktZAxM=
解密数据:helloworld
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