Java加密与安全 —— 对称式加密与非对称式加密的对比

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2024-05-07 17:12 16阅读 0赞

### 对称式加密 ###

一. 对称加密算法就是传统的用一个密码进行加密解密。  
常用的对称加密算法有：  
![在这里插入图片描述][c9fd9256972142c79ae16c48b0c9d615.png]密钥长度直接决定加密强度  
工作模式和填充模式可以看成是对称加密算法的参数和格式选择。  
注意：DES算法由于密钥过段。可以在短时间内被暴力破解，现在已经不安全了。

二. AES加密  
AES加密比较常见的工作模式是ECB 和 CBC。  
**ECB模式**  
使用ECB模式加密和解密：  
【步骤】：

> 1.  根据算法名称/工作模式/填充模式获取Cipher实例；
> 2.  根据算法名称初始化一噶SecretKey实例，密钥必须指定长度；  
>     3 . 使用SercetKey初始化Cipher实例，并设置加密或解密模式；
> 3.  传入明文或密文，获得密文或明文。

import java.security.*;
    import java.util.Base64;
    
    import javax.crypto.*;
    import javax.crypto.spec.*;
    
    public class Main {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            // 原文:
            String message = "Hello, world!";
            System.out.println("Message(原始信息): " + message);
            
            // 128位密钥 = 16 bytes Key:
            byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes();
            
            // 加密:
            byte[] data = message.getBytes();
            byte[] encrypted = encrypt(key, data);
            System.out.println("Encrypted(加密内容): " + 
            					Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
            
            // 解密:
            byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
            System.out.println("Decrypted(解密内容): " + new String(decrypted));
        }
    
        // 加密:
        public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        	// 创建密码对象，需要传入算法/工作模式/填充模式
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        	
            // 根据key的字节内容，"恢复"秘钥对象
            SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
            
            // 初始化秘钥:设置加密模式ENCRYPT_MODE
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
            
            // 根据原始内容(字节),进行加密
            return cipher.doFinal(input);
        }
    
        // 解密:
        public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        	// 创建密码对象，需要传入算法/工作模式/填充模式
        	Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
            
        	// 根据key的字节内容，"恢复"秘钥对象
            SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
            
            // 初始化秘钥:设置解密模式DECRYPT_MODE
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
            
            // 根据原始内容(字节),进行解密
            return cipher.doFinal(input);
        }
    }

**CBC模式**  
ECB是最简单的AES加密模式，它只需要一个固定长度的密钥，固定的明文会生成固定的密文，这种一对一的加密模式会导致安全性降低，更好的方式是通过CBC模式，他需要一个随机数作为IV参数，这样对于一份明文，每次生成的密文都不同：

package com.apesource.demo04;
    
    import java.security.*;
    import java.util.Base64;
    
    import javax.crypto.*;
    import javax.crypto.spec.*;
    
    public class Main {
    	public static void main(String[] args) throws Exception {
            // 原文:
            String message = "Hello, world!";
            System.out.println("Message(原始信息): " + message);
            
            // 256位密钥 = 32 bytes Key:
            byte[] key = "1234567890abcdef1234567890abcdef".getBytes();
            
            // 加密:
            byte[] data = message.getBytes();
            byte[] encrypted = encrypt(key, data);
            System.out.println("Encrypted(加密内容): " + 
    				Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
            
            // 解密:
            byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
            System.out.println("Decrypted(解密内容): " + new String(decrypted));
        }
    
        // 加密:
        public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
            // 设置算法/工作模式CBC/填充
        	Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        	
        	// 恢复秘钥对象
            SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
            
            // CBC模式需要生成一个16 bytes的initialization vector:
            SecureRandom sr = SecureRandom.getInstanceStrong();
            byte[] iv = sr.generateSeed(16); // 生成16个字节的随机数
            System.out.println(Arrays.toString(iv));
            IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 随机数封装成IvParameterSpec参数对象
            
            // 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps);
            
            // 加密
            byte[] data = cipher.doFinal(input);
            
            // IV不需要保密，把IV和密文一起返回:
            return join(iv, data);
        }
    
        // 解密:
        public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
            // 把input分割成IV和密文:
            byte[] iv = new byte[16];
            byte[] data = new byte[input.length - 16];
            
            System.arraycopy(input, 0, iv, 0, 16); // IV
            System.arraycopy(input, 16, data, 0, data.length); //密文
            System.out.println(Arrays.toString(iv));
            
            // 解密:
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); // 密码对象
            SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES"); // 恢复秘钥
            IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 恢复IV
            
            // 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivps);
            
            // 解密操作
            return cipher.doFinal(data);
        }
        
        // 合并数组
        public static byte[] join(byte[] bs1, byte[] bs2) {
            byte[] r = new byte[bs1.length + bs2.length];
            System.arraycopy(bs1, 0, r, 0, bs1.length);
            System.arraycopy(bs2, 0, r, bs1.length, bs2.length);
            return r;
        }
    }

### 非对称式加密 ###

一. 最常见的是RSA算法

import java.math.BigInteger;
    import java.security.GeneralSecurityException;
    import java.security.KeyPair;
    import java.security.KeyPairGenerator;
    import java.security.PrivateKey;
    import java.security.PublicKey;
    import javax.crypto.Cipher;
    
    // RSA
    public class Main {
    	public static void main(String[] args) throws Exception {
    		// 明文:
    		byte[] plain = "Hello, encrypt use RSA".getBytes("UTF-8");
    
    		// 创建公钥／私钥对:
    		Human alice = new Human("Alice");
    
    		// 用Alice的公钥加密:
    		// 获取Alice的公钥，并输出
    		byte[] pk = alice.getPublicKey();
    		System.out.println(String.format("public key(公钥): %x", new BigInteger(1, pk)));
    
    		// 使用公钥加密
    		byte[] encrypted = alice.encrypt(plain);
    		System.out.println(String.format("encrypted(加密): %x", new BigInteger(1, encrypted)));
    
    		// 用Alice的私钥解密:
    		// 获取Alice的私钥，并输出
    		byte[] sk = alice.getPrivateKey();
    		System.out.println(String.format("private key(私钥): %x", new BigInteger(1, sk)));
    
    		// 使用私钥解密
    		byte[] decrypted = alice.decrypt(encrypted);
    		System.out.println("decrypted(解密): " + new String(decrypted, "UTF-8"));
    	}
    }
    
    // 用户类
    class Human {
    	// 姓名
    	String name;
    
    	// 私钥:
    	PrivateKey sk;
    
    	// 公钥:
    	PublicKey pk;
    
    	// 构造方法
    	public Human(String name) throws GeneralSecurityException {
    		// 初始化姓名
    		this.name = name;
    
    		// 生成公钥／私钥对:
    		KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
    		kpGen.initialize(1024);
    		KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();
    
    		this.sk = kp.getPrivate();
    		this.pk = kp.getPublic();
    	}
    
    	// 把私钥导出为字节
    	public byte[] getPrivateKey() {
    		return this.sk.getEncoded();
    	}
    
    	// 把公钥导出为字节
    	public byte[] getPublicKey() {
    		return this.pk.getEncoded();
    	}
    
    	// 用公钥加密:
    	public byte[] encrypt(byte[] message) throws GeneralSecurityException {
    		Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
    		cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, this.pk); // 使用公钥进行初始化
    		return cipher.doFinal(message);
    	}
    
    	// 用私钥解密:
    	public byte[] decrypt(byte[] input) throws GeneralSecurityException {
    		Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
    		cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, this.sk); // 使用私钥进行初始化
    		return cipher.doFinal(input);
    	}
    }

RSA的公钥和私钥都可以通过getEncoded()方法获得byte\[\]表示的二进制数据，并根据需要保存到文件中。要从byte\[\]数组恢复公钥或密钥，可以这么写：

byte[] pkData = ...
    byte[] skData = ...
    KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
    
    // 恢复公钥:
    X509EncodedKeySpec pkSpec = new X509EncodedKeySpec(pkData);
    PublicKey pk = kf.generatePublic(pkSpec);
    
    // 恢复私钥:
    PKCS8EncodedKeySpec skSpec = new PKCS8EncodedKeySpec(skData);
    PrivateKey sk = kf.generatePrivate(skSpec);

以RSA算法为例，它的密钥有256/512/1024/2048/4096等不同的长度。长度越长，密度强度越大，计算速度越慢。

【不同】：  
①. 对称式加密算法使用同一密钥进行加密和解密，常用算法有DES, AES和IDEA。  
非对称式加密：加密和解密使用的不是相同的密钥，只有同一公钥-私钥对才能正常加解密。(RSA算法)  
②. 使用对称加密算法需要指定算法名称，工作模式和填充模式。  
③. 对称式加密需要协商密钥,需要需要n\*(n-1)/2个密钥，因此每个人需要管理n-1个密钥，密钥管理难度大，易泄露。  
非对称式加密算法可以安全公开自己的公钥，在N个人之间通信的时候：需要N个密钥 对，每个人只需要管理自己的密钥对。

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