周末给女友讲了遍加密算法，没想到...

不念不忘少年蓝@ 2022-10-04 15:59 126阅读 0赞

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**大家好，我是小羽**

哈哈哈，其实只是周末看了小舞而已啦，铁铁们没追更的，赶快去补一下这集，特效炸裂。好了，不扯了，进入正题，最近做的项目，涉及到一些加密算法的选择，小羽在这里顺便也给大家做个总结，一起加深对加密的相关认识。

目前比较常用的加密算法总结起来就是**单向加密和双向加密**了，其实很简单，理解也不难。但是小羽觉得还是很有必要对其原理进行清晰的认知的，这样在我们的开发中才会得心应手。毕竟对于我们研发来说，**数据安全**是第一位，加密算法对维护软件的数据安全起着举足轻重的作用。来跟着小羽看看这些算法都用在了哪些方面，怎么用的，代码具体如何实现的。慢慢读完，你会对这些**小密码**有更深入的了解。

### 前言 ###

今天给大家带来的的是关于**加密算法**的来世今生。

其实早在古希腊时期，人类发明了**置换密码**。到1881年世界上的第一个**电话保密专利**出现。二战期间，德国军方启用“恩尼格玛”**密码机**，密码学在战争中起着非常重要的作用。

在1997年，美国国家标准局公布实施了“美国数据加密标准（DES）”，民间力量开始全面介入密码学的研究和应用中，采用的加密算法有 `DES、RSA、SHA` 等。随着对加密强度需求的不断提高，近期又出现了`AES、ECC`等。

好了，历史讲完了，该进入正文了，先来看看使用加密算法对我们有啥**好处**。

使用密码学可以达到以下目的：

*保密性*：防止用户的标识或数据被读取。

*数据完整性*：防止数据被更改。

*身份验证*：确保数据发自特定的一方。

--------------------

> 单向加密  
> 通俗来说，就是通过对数据进行摘要计算生成密文，密文不可逆推还原。算法代表：MD5、SHA、HMAC等。

### 单向加密 ###

####  ####

#### MD5 ####

`MD5` \-- message-digest algorithm 5 （信息-摘要算法）缩写，广泛用于加密和解密技术，常用于**文件校验**。不管文件多大，经过MD5后都能生成**唯一**的 `MD5` 值。好比现在的 ISO 校验，都是 MD5 校验，把 ISO 经过 MD5 后产生 MD5 的值。一般下载 `linux-ISO` 的朋友都见过下载链接旁边放着 MD5 的串。就是用来**验证文件是否一致的**。

*加密工具类如下*：

/** 
     * MD5加密 
     *  
     * @param data 
     * @return 
     * @throws Exception 
     */  
    public static byte[] encryptMD5(byte[] data) throws Exception {  
      
        MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance(KEY_MD5);  
        md5.update(data);  
      
        return md5.digest();  
      
    }

####  ####

#### SHA ####

`SHA`(Secure Hash Algorithm，**安全散列算法**），数字签名等密码学应用中重要的工具，被广泛地应用于**电子商务**等信息安全领域。虽然， SHA 与 MD5 通过碰撞法都被破解了，但是 SHA 仍然是**公认的安全加密算法**，较之MD5更为安全。

*加密工具类如下*：

/** 
    * SHA加密 
    *  
    * @param data 
    * @return 
    * @throws Exception 
    */  
    public static byte[] encryptSHA(byte[] data) throws Exception {  
      
        MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance(KEY_SHA);  
        sha.update(data);  
      
        return sha.digest();  
      
        }  
    }

####  ####

#### HMAC ####

`HMAC`(Hash Message Authentication Code ，**散列消息鉴别码**，基于密钥的 Hash 算法的认证协议。消息鉴别码实现鉴别的原理是，用公开函数和密钥产生一个**固定长度的值**作为认证标识，用这个标识鉴别消息的完整性。使用一个密钥生成一个**固定大小的小数据块**，即 `MAC` ，并将其加入到消息中，然后传输。接收方利用与发送方**共享的密钥**进行鉴别认证等。

*加密工具类如下*：

/** 
     * 初始化HMAC密钥 
     *  
     * @return 
     * @throws Exception 
     */  
    public static String initMacKey() throws Exception {  
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KEY_MAC);  
      
        SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();  
        return encryptBASE64(secretKey.getEncoded());  
    }  
      
    /** 
     * HMAC加密 
     *  
     * @param data 
     * @param key 
     * @return 
     * @throws Exception 
     */  
    public static byte[] encryptHMAC(byte[] data, String key) throws Exception {  
      
        SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(decryptBASE64(key), KEY_MAC);  
        Mac mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());  
        mac.init(secretKey);  
      
        return mac.doFinal(data);  
      
    }

> 双向加密  
> 双向加密又称为可逆加密，即生成密文后，在需要的时候可以反解为明文，双向加密分为对称加密和非对称加密。

### 对称加密算法 ###

对称加密算法是应用较早的加密算法，技术成熟。在对称加密算法中，数据发信方将明文（原始数据）和加密密钥一起经过特殊加密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去。在对称加密算法中，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，这就要求解密方**事先必须知道加密密钥**。对称加密算法的特点是8*算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高**。不足之处是，交易双方都使用同样钥匙，**安全性得不到保证*\*。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。

数据加密过程：在对称加密算法中，数据发送方将明文(原始数据)和加密密钥一起经过特殊加密处理，生成**复杂的加密密文**进行发送。

数据解密过程：数据接收方收到密文后，若想读取原数据，则需要使用加密使用的密钥及相同算法的**逆算法**对加密的密文进行解密，才能使其恢复成**可读明文**。

常用算法：DES、3DES、AES、TDEA、Blowfish、RC2、RC4、RC5、IDEA、Skipjack 等。下面主要介绍常用的 `DES、3DES、AES` 加密算法。

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####  ####

#### DES加密算法 ####

DES 加密算法是一种**分组密码**，以 `64` 位为分组对数据加密，它的密钥长度是 `56` 位，加密解密用**同一算法**。DES 加密算法是对密钥进行保密，而公开算法，包括加密和解密算法。这样，只有掌握了和发送方**相同密钥**的人才能解读由DES加密算法加密的密文数据。因此，破译 DES 加密算法实际上就是搜索密钥的**编码**。对于 56 位长度的密钥来说，如果用**穷举法**来进行搜索的话，其运算次数为 `256` 。

随着计算机系统能力的不断发展， DES 的安全性比它刚出现时会弱得多，然而从非关键性质的实际出发，仍可以认为它是足够的。不过， DES 现在**仅用于旧系统的鉴定**，而更多地选择新的加密标准。

*加密工具类如下*：

/**
      * 加密
      *
      * @param datasource 待加密数据
      * @param key
      * @return byte数组
      */
      public static byte[] enCrypto(byte[] datasource, String key) throws InvalidKeyException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException, NoSuchPaddingException, BadPaddingException, IllegalBlockSizeException {
    
        SecureRandom random = new SecureRandom();
        DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(key.getBytes());
        // 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);
        // 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, random);
        // 现在，获取数据并加密
        // 正式执行加密操作
        return cipher.doFinal(datasource);
    
        }

####  ####

#### 3DES加密算法 ####

DES 是**三重数据**加密算法块密码的通称。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，而不是设计一种全新的块密码算法。

3DES 是 DES 向 AES 过渡的加密算法，加密算法，其具体实现如下：设 `Ek()` 和 `Dk()` 代表 DES 算法的**加密和解密**过程， `K` 代表 DES 算法使用的**密钥**， `M` 代表**明文**， `C` 代表**密文**。加密过程为：`C=Ek3(Dk2(Ek1(M)))`

*加密工具类如下*：

/**
      * 方法描述：3DES加密
      *
      * @param plainText  明文
      * @param secretKey  密钥
      * @param iv         加密向量
      * @return String    密文
      * @throws Exception
      */
     public static String encode(String plainText, String secretKey, String iv)
       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.ENCRYPT_MODE, deskey, ips);
      byte[] encryptData = cipher.doFinal(plainText.getBytes(encoding));
      return Base64.encode(encryptData);
     }

#### AES加密算法 ####

AES 加密算法是密码学中的**高级加密标准**，该加密算法采用对称分组密码体制，密钥长度的最少支持为 `128`、`192` 、 `256` ，分组长度 `128` 位，算法应易于各种硬件和软件实现。这种加密算法是美国联邦政府采用的**区块加密标准**，这个标准用来替代原先的 `DES` ，已经被多方分析且广为全世界所使用。

AES 加密算法被设计为支持 `128／192／256`位（/32=nb)数据块大小（即分组长度）；支持 `128／192／256`位（/32=nk) 密码长度，，在 10 进制里，对应 `34×1038、62×1057、1.1×1077` 个密钥。

*加密工具类如下*：

/**
      * AES加密
      * @param data 要加密的字符串
      * @param key  加密key
      * @param iv   密码加密算法中的IV
      * @return 加密后的字符串
      */
      public static String encrypt(String data, String key, String iv) {
        try {
     
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding");
        int blockSize = cipher.getBlockSize();
        byte[] dataBytes = data.getBytes();
        int plaintextLength = dataBytes.length;
        if (plaintextLength % blockSize != 0) {
            plaintextLength = plaintextLength + (blockSize - (plaintextLength % blockSize));
            }
              byte[] plaintext = new byte[plaintextLength];
              System.arraycopy(dataBytes, 0, plaintext, 0, dataBytes.length);
              SecretKeySpec keyspec = new SecretKeySpec(key.getBytes(), Constant.STRING_AES);
              IvParameterSpec ivspec = new IvParameterSpec(iv.getBytes(Constant.STRING_UTF_8));
              cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keyspec, ivspec);
              byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext);
              String encrypt = Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted); //BASE64加密
              encrypt = encrypt.replaceAll(new String(Constant.STRING_CARRIAGE_RETURN), Constant.STRING_BLANK);
              encrypt = encrypt.replaceAll(new String(Constant.STRING_LINE_FEED), Constant.STRING_BLANK);
              return encrypt;
            } catch (Exception e) {
              e.printStackTrace();
              return null;
            }
        }

#### 对称加密算法比较 ####

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### 非对称加密算法 ###

不对称加密算法使用两把**完全不同但又是完全匹配**的一对钥匙—公钥和私钥。在使用不对称加密算法加密文件时，只有使用匹配的一对公钥和私钥，才能完成对明文的加密和解密过程。采用不对称加密算法，收发信双方在通信之前，收信方必须将自己早已随机生成的公钥送给发信方，而自己保留私钥。由于不对称算法拥有**两个密钥**，因而特别适用于**分布式系统**中的数据加密。广泛应用的不对称加密算法有 `RSA` 算法和美国国家标准局提出的 `DSA` 。以不对称加密算法为基础的加密技术应用非常广泛。

*工作流程*：

1、乙方生成一对密钥（公钥和私钥）并将公钥向其它方**公开**。

2、得到该公钥的甲方使用该密钥对机密信息进行**加密**后再发送给乙方。

3、乙方再用自己保存的另一把专用密钥（私钥）对加密后的信息进行**解密**。乙方只能用其专用密钥（私钥）解密由对应的公钥加密后的信息。

在传输过程中，即使攻击者截获了传输的密文，并得到了乙的公钥，也无法破解密文，因为**只有乙的私钥**才能解密密文。

同样，如果乙要回复加密信息给甲，那么需要**甲先公布甲的公钥**给乙用于加密，甲自己保存甲的私钥用于解密。

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####  ####

#### RSA加密算法 ####

RSA 加密算法是目前**最有影响力**的公钥加密算法，并且被普遍认为是目前**最优秀**的公钥方案之一。RSA 是第一个能同时用于加密和数宇签名的算法，它能够抵抗到目前为止已知的**所有密码攻击**，已被 `ISO` 推荐为公钥数据加密标准。RSA 加密算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但那时想要，但那时想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将**乘积公开**作为加密密钥。

*加密工具类如下*：

/**
      * RSA公钥加密
      *
      * @param str 加密字符串
      * @param publicKey 公钥
      * @return 密文
      * @throws Exception 加密过程中的异常信息
      */
      public static String encrypt( String str, String publicKey ) throws Exception{
        //base64编码的公钥
        byte[] decoded = Base64.decodeBase64(publicKey);
        RSAPublicKey pubKey = (RSAPublicKey) KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(new X509EncodedKeySpec(decoded));
        //RSA加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
        String outStr = Base64.encodeBase64String(cipher.doFinal(str.getBytes("UTF-8")));
          return outStr;
        }

#### DSA加密算法 ####

DSA 是基于**整数有限域离散对数难题**的，其安全性与 RSA 相比差不多。DSA 的一个重要特点是**两个素数公开**，这样，当使用别人的 p 和 q 时，即使不知道私钥，你也能确认它们是否是随机产生的，还是作了手脚。RSA算法却做不到。DSA 只是一种算法，和 RSA 不同之处在于它不能用作加密和解密，也不能进行密钥交换，**只用于签名,它比RSA要快很多**.

*加密流程如下*：

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####  ####

#### ECC加密算法 ####

椭圆加密算法（ECC）是一种**公钥加密体制**，最初由 `Koblitz` 和 `Miller` 两人于 1985 年提出，其数学基础是利用椭圆曲线上的有理点构成 `Abel` 加法群上椭圆离散对数的计算困难性。公钥密码体制根据其所依据的难题一般分为三类：**大整数分解问题类、离散对数问题类、椭圆曲线类**。有时也把椭圆曲线类归为离散对数类。椭圆曲线密码体制是目前已知的公钥体制中，对每比特所提供**加密强度最高**的一种体制。解椭圆曲线上的离散对数问题的最好算法是 `Pollard rho` 方法，其时间复杂度为，是完全指数阶的。

*加密工具类如下*：

/**
     * 加密
     * @param data
     * @param publicKey
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] encrypt(byte[] data, String publicKey)
        throws Exception {
        byte[] keyBytes = BASE64Decoder.decodeBuffer(publicKey);
     
        X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ECCEnum.ALGORITHM.value());
     
        ECPublicKey pubKey = (ECPublicKey) keyFactory
                    .generatePublic(x509KeySpec);
     
        Cipher cipher = new NullCipher();
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
        return cipher.doFinal(data);
    }

#### 非对称加密算法比较    ####

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### 总结 ###

#### 对称加密和非对称加密比较 ####

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####  ####

#### 实际应用： ####

采用非对称加密算法管理对称算法的密钥，用对称加密算法加密数据，即**提高了加密速度，又实现了解密的安全**

RSA 建议采用 `1024` 位的数字， ECC 建议采用`160`位， AES 采用`128`位即可

#### 其它方面的比较： ####

*在管理方面*：公钥密码算法只需要**较少的资源**就可以实现目的，在密钥的分配上，两者之间相差一个指数级别（一个是n一个是n2）。所以公钥密码算法不适应广域网的使用，而且更重要的一点是它**不支持数字签名**。

*在安全方面*：由于公钥密码算法基于未解决的数学难题，在破解上几乎不可能。对于私钥密码算法，到了AES虽说从理论来说是**不可能破解**的，但从计算机的发展角度来看。公钥更具有**优越性**。

### 关于我 ###

下面的是我的个人二维码图片，希望能跟大家一起进阶，共同进步。

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[d3c28c8e2b9feac343c7bca21ac71e80.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/d3c28c8e2b9feac343c7bca21ac71e80.png
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[Spring Cloud Alibaba]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM3MDgyMA%3D%3D&chksm=fd556225ca22eb33a3859702053e4f6817f646264cf58fabe5c9f18144da347305a2a6d8b0e6&idx=2&mid=2247502542&scene=21&sn=efbdc5883e72041b423df9dd229723f1#wechat_redirect
[Link 1]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM3MDgyMA%3D%3D&chksm=fd555753ca22de4522b62563737854b0359847f046b416df20cdfa099ea81d8e03c8bb22f4d1&idx=1&mid=2247499704&scene=21&sn=e3a867f360e8a8cccf8d79e0652c36c0#wechat_redirect
[121_25K]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM3MDgyMA%3D%3D&chksm=fd556035ca22e923a421efcfe1d27de7af8b8728567ed3aef5cd63dd92d0d0bd85bbf1dc82ad&idx=2&mid=2247502046&scene=21&sn=bc1a2e872e06b29ff59d319ae09b62b9#wechat_redirect
[XX]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM3MDgyMA%3D%3D&chksm=fd556546ca22ec5010a5293e5afe87317f5394fe3e20454722ef7bd1afbd2547f782e3281b5d&idx=1&mid=2247503277&scene=21&sn=884e3f7655cb57170c037419ecb254b5#wechat_redirect