详细分析JAVA加解密算法

加解密算法分析

日常开发中，无论你是使用什么语言，都应该遇到过使用加解密的使用场景，比如接口数据需要加密传给前端保证数据传输的安全；HTTPS使用证书的方式首先进行非对称加密，将客户端的私匙传递给服务端，然后双方后面的通信都使用该私匙进行对称加密传输；使用MD5进行文件一致性校验，等等很多的场景都使用到了加解密技术。

很多时候我们对于什么时候要使用什么样的加解密方式是很懵的。因为可用的加解密方案实在是太多，大家对加解密技术的类型可能不是很清楚，今天这篇文章就来梳理一下目前主流的加解密技术，本篇文档只针对算法做科普性说明，不涉及具体算法分析。日常使用的加解密大致可以分为以下四类：

1. 散列函数(也称信息摘要)算法
2. 对称加密算法
3. 非对称加密算法
4. 组合加密技术
   

1. 散列函数算法

听名字似乎不是一种加密算法，类似于给一个对象计算出hash值。所以这种算法一般用于数据特征提取。常用的散列函数包括：MD5、SHA1、SHA2（包括SHA128、SHA256等）散列函数的应用很广，散列函数有个特点，它是一种单向加密算法，只能加密、无法解密。

1.1 MD5

先来看MD5算法，MD5算法是广为使用的数据特征提取算法，最常见的就是我们在下载一些软件，网站都会提供MD5值给你进行校验，你可以通过MD5值是否一致来检查当前文件是否被别人篡改。MD5算法具有以下特点：

1. 任意长度的数据得到的MD5值长度都是相等的；
2. 对原数据进行任一点修改，得到的MD5值就会有很大的变化；
3. 散列函数的不可逆性，即已知原数据，无法通过特征值反向获取原数据。（需要说明的是2004年的国际密码讨论年会（CRYPTO）尾声，王小云及其研究同事展示了MD5、SHA-0及其他相关杂凑函数的杂凑冲撞。也就是说，她找出了第一个 两个值不同，但 MD5 值相同的碰撞的例子。这个应该不能称之为破解）
   

1.2 MD5用途：

1. 防篡改。上面说过用于文件完整性校验。
2. 用于不想让别人看到明文的地方。比如用户密码入库，可以将用户密码使用MD5加密存储，下次用户输入密码登录只用将他的输入进行MD5加密与数据库的值判断是否一致即可，这样就有效防止密码泄露的风险。
3. 用于文件秒传。比如百度云的文件秒传功能可以用这种方式来实现。在你点击上传的时候，前端同学会先计算文件的MD5值然后与服务端比对是否存在，如果有就会告诉你文件上传成功，即完成所谓的秒传。
   

在JDK中提供了MD5的实现：java.security包中有个类MessageDigest，MessageDigest 类为应用程序提供信息摘要算法的功能，如 MD5 或 SHA 算法。信息摘要是安全的单向哈希函数，它接收任意大小的数据，输出固定长度的哈希值。

MessageDigest 对象使用getInstance函数初始化，该对象通过使用 update 方法处理数据。任何时候都可以调用 reset 方法重置摘要。一旦所有需要更新的数据都已经被更新了，应该调用 digest 方法之一完成哈希计算。

对于给定数量的更新数据，digest 方法只能被调用一次。digest 被调用后，MessageDigest 对象被重新设置成其初始状态。

下面的例子展示了使用JDK自带的MessageDigest类使用MD5算法。同时也展示了如果使用了update方法后没有调用digest方法，则会累计当前所有的update中的值在下一次调用digest方法的时候一并输出：

package other;

import java.security.MessageDigest;

/**
 * @author: rickiyang
 * @date: 2019/9/13
 * @description:
 */
public class MD5Test {

 static char[] hex = {'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F'};

 public static void main(String[] args) {
 try {
  //申明使用MD5算法
  MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
  md5.update("a".getBytes());//
  System.out.println("md5(a)=" + byte2str(md5.digest()));
  md5.update("a".getBytes());
  md5.update("bc".getBytes());
  System.out.println("md5(abc)=" + byte2str(md5.digest()));
  //你会发现上面的md5值与下面的一样
  md5.update("abc".getBytes());
  System.out.println("md5(abc)=" + byte2str(md5.digest()));
 } catch (Exception e) {
  e.printStackTrace();
 }
 }

 /**
 * 将字节数组转换成十六进制字符串
 *
 * @param bytes
 * @return
 */
 private static String byte2str(byte[] bytes) {
 int len = bytes.length;
 StringBuffer result = new StringBuffer();
 for (int i = 0; i < len; i++) {
  byte byte0 = bytes[i];
  result.append(hex[byte0 >>> 4 & 0xf]);
  result.append(hex[byte0 & 0xf]);
 }
 return result.toString();
 }
}

输出：

md5(a)=0CC175B9C0F1B6A831C399E269772661
md5(abc)=900150983CD24FB0D6963F7D28E17F72
md5(abc)=900150983CD24FB0D6963F7D28E17F72

1.3 SHA系列算法

Secure Hash Algorithm，是一种与MD5同源的数据加密算法。SHA算法能计算出一个数位信息所对应到的，长度固定的字串，又称信息摘要。而且如果输入信息有任何的不同，输出的对应摘要不同的机率非常高。因此SHA算法也是FIPS所认证的五种安全杂凑算法之一。原因有两点：一是由信息摘要反推原输入信息，从计算理论上来说是极为困难的；二是，想要找到两组不同的输入信息发生信息摘要碰撞的几率，从计算理论上来说是非常小的。任何对输入信息的变动，都有很高的几率导致的信息摘要大相径庭。

SHA实际上是一系列算法的统称，分别包括：SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384以及SHA-512。后面4中统称为SHA-2，事实上SHA-224是SHA-256的缩减版，SHA-384是SHA-512的缩减版。各中SHA算法的数据比较如下表，其中的长度单位均为位：

类别 sha-1 sha-224 sha-256 sha-384 sha-512 消息摘要长度 160 224 256 384 512 消息长度 小于264位 小于264位 小于264位 小于2128位 小于2128位 分组长度 512 512 512 1024 1024 计算字长度 32 32 32 64 64 计算步骤数 80 64 64 80 80

SHA-1算法输入报文的最大长度不超过264位，产生的输出是一个160位的报文摘要。输入是按512 位的分组进行处理的。SHA-1是不可逆的、防冲突，并具有良好的雪崩效应。

上面提到的MessageDigest类同时也支持SHA系列算法，使用方式与MD5一样，注意SHA不同的类型：

MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA");
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-224");
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-384");

2. 对称加密算法

所谓的对称加密，意味着加密者和解密者需要同时持有一份相同的密匙，加密者用密匙加密，解密者用密匙解密即可。

常用的对称加密算法包括DES算法、AES算法等。 由于对称加密需要一个秘钥，而秘钥在加密者与解密者之间传输又很难保证安全性，所以目前用对称加密算法的话主要是用在加密者解密者相同，或者加密者解密者相对固定的场景。

对称算法又可分为两类：

第一种是一次只对明文中的单个位（有时对字节）运算的算法称为序列算法或序列密码；

另一种算法是对明文的一组位进行运算，这些位组称为分组，相应的算法称为分组算法或分组密码。现代计算机密码算法的典型分组长度为64位――这个长度既考虑到分析破译密码的难度，又考虑到使用的方便性。

2.1 BASE64算法

我们很熟悉的BASE64算法就是一个没有秘密的对称加密算法。因为他的加密解密算法都是公开的，所以加密数据是没有任何秘密可言，典型的防菜鸟不防程序员的算法。

BASE64算法作用：

用于简单的数据加密传输；

1. 用于数据传输过程中的转码，解决中文问题和特殊符号在网络传输中的乱码现象。
2. 网络传输过程中如果双方使用的编解码字符集方式不一致，对于中文可能会出现乱码；与此类似，网络上传输的字符并不全是可打印的字符，比如二进制文件、图片等。Base64的出现就是为了解决此问题，它是基于64个可打印的字符来表示二进制的数据的一种方法。

BASE64原理

BASE64的原理比较简单，每当我们使用BASE64时都会先定义一个类似这样的数组：

['A', 'B', 'C', ... 'a', 'b', 'c', ... '0', '1', ... '+', '/']

上面就是BASE64的索引表，字符选用了"A-Z、a-z、0-9、+、/" 64个可打印字符，这是标准的BASE64协议规定。在日常使用中我们还会看到“=”或“==”号出现在BASE64的编码结果中，“=”在此是作为填充字符出现。

JDK提供了BASE64的实现：BASE64Encoder，我们可以直接使用：

//使用base64加密
BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder(); 
String encrypt = encoder.encode(str.getBytes()); 
//使用base64解密
BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder(); 
String decrypt = new String(decoder.decodeBuffer(encryptStr)); 

2.2 DES

DES (Data Encryption Standard)，在很长时间内，许多人心目中“密码生成”与DES一直是个同义词。

DES是一个分组加密算法，典型的DES以64位为分组对数据加密，加密和解密用的是同一个算法。它的密钥长度是56位（因为每个第8 位都用作奇偶校验），密钥可以是任意的56位的数，而且可以任意时候改变。

DES加密过程大致如下：

1. 首先需要从用户处获取一个64位长的密码口令，然后通过等分、移位、选取和迭代形成一套16个加密密钥，分别供每一轮运算中使用；
2. 然后将64位的明文分组M进行操作，M经过一个初始置换IP，置换成m0。将m0明文分成左半部分和右半部分m0 = (L0，R0)，各32位长。然后进行16轮完全相同的运算（迭代），这些运算被称为函数f，在每一轮运算过程中数据与相应的密钥结合；
3. 在每一轮迭代中密钥位移位，然后再从密钥的56位中选出48位。通过一个扩展置换将数据的右半部分扩展成48位，并通过一个异或操作替代成新的48位数据，再将其压缩置换成32位。这四步运算构成了函数f。然后，通过另一个异或运算，函数f的输出与左半部分结合，其结果成为新的右半部分，原来的右半部分成为新的左半部分。将该操作重复16次；
4. 经过16轮迭代后，左，右半部分合在一起经过一个末置换（数据整理），这样就完成了加密过程。

对于DES解密的过程大家猛然一想应该是使用跟加密过程相反的算法，事实上解密和加密使用的是一样的算法，有区别的地方在于加密和解密在使用密匙的时候次序是相反的。比如加密的时候是K0,K1,K2......K15，那么解密使用密匙的次序就是倒过来的。之所以能用相同的算法去解密，这跟DES特意设计的加密算法有关，感兴趣的同学可以深入分析。

2.3 AES

高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)，与DES一样，使用AES加密函数和密匙来对明文进行加密，区别就是使用的加密函数不同。

上面说过DES的密钥长度是56比特，因此算法的理论安全强度是2^56。但以目前计算机硬件的制作水准和升级情况，破解DES可能只是山脉问题，最终NIST(美国国家标准技术研究所（National Institute of Standards and Technology))选择了分组长度为128位的Rijndael算法作为AES算法。

AES为分组密码，分组密码也就是把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。在AES标准规范中，分组长度只能是128位，也就是说，每个分组为16个字节（每个字节8位）。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，如下表所示：

AES 密钥长度（32位比特字) 分组长度(32位比特字)  加密轮数 AES-128 4 4 10 AES-192 6 4 12 AES-256 8 4 14

3. 非对称加密

非对称加密算法的特点是，秘钥一次会生成一对，其中一份秘钥由自己保存，不能公开出去，称为“私钥”，另外一份是可以公开出去的，称为“公钥”。

将原文用公钥进行加密，得到的密文只有用对应私钥才可以解密得到原文；

将原文用私钥加密得到的密文，也只有用对应的公钥才能解密得到原文；

因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法叫作非对称加密算法。

与对称加密算法的对比

• 优点：其安全性更好，对称加密的通信双方使用相同的秘钥，如果一方的秘钥遭泄露，那么整个通信就会被破解。而非对称加密使用一对秘钥，一个用来加密，一个用来解密，而且公钥是公开的，秘钥是自己保存的，不需要像对称加密那样在通信之前要先同步秘钥。
• 缺点：非对称加密的缺点是加密和解密花费时间长、速度慢，只适合对少量数据进行加密。

在非对称加密中使用的主要算法有：RSA、Elgamal、ESA、背包算法、Rabin、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）等。不同算法的实现机制不同。

非对称加密工作原理

下面我们就看一下非对称加密的工作原理。

• 乙方生成一对密钥（公钥和私钥）并将公钥向其它方公开。
• 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。
• 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。
  

非对称加密鼻祖：RSA

RSA算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大质数（素数）相乘十分容易，但是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。比如：取两个简单的质数：67，73，得到两者乘积很简单4891；但是要想对4891进行因式分解，其工作量成几何增加。

应用场景：

HTTPS请求的SSL层。

在JDK中也提供了RSA的实现，下面给出示例：

	/**
 * 创建密匙对
 *
 * @return
 */
 private KeyPair genKeyPair() {
 //创建 RSA Key 的生产者。
 KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");

 //利用用户密码作为随机数初始化出 1024 比特 Key 的生产者。
 //SecureRandom 是生成安全随机数序列，password.getBytes() 是种子，只要种子相同，序列就一样。
 keyPairGen.initialize(1024, new SecureRandom("password".getBytes()));

 //创建密钥对
 return keyPairGen.generateKeyPair();
 }


 /**
 * 生成公匙
 *
 * @return
 */
 public PublicKey genPublicKey() {
 try {
  //创建密钥对
  KeyPair keyPair = genKeyPair();

  //生成公钥
  PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
  X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey.getEncoded());
  KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
  publicKey = keyFactory.generatePublic(keySpec);
  return publicKey;
 } catch (Exception e) {
  e.printStackTrace();
 }
 return null;

 }

 /**
 * 生成私匙
 *
 * @return
 */
 public PrivateKey genPrivateKey() {
 try {
  //创建密钥对
  KeyPair keyPair = genKeyPair();

  //生成私匙
  PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
  X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(privateKey.getEncoded());
  KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
  return keyFactory.generatePrivate(keySpec);
 } catch (Exception e) {
  e.printStackTrace();
 }
 return null;
 }

 /**
 * 公钥加密
 *
 * @param data
 * @param publicKey
 * @return
 * @throws Exception
 */
 public static byte[] encryptByPublicKey(byte[] data, String publicKey)
  throws Exception {
 X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey.getBytes());
 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
 Key publicK = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
 // 对数据加密
 Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicK);
 int inputLen = data.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 > 117) {
  cache = cipher.doFinal(data, offSet, 117);
  } else {
  cache = cipher.doFinal(data, offSet, inputLen - offSet);
  }
  out.write(cache, 0, cache.length);
  i++;
  offSet = i * 117;
 }
 byte[] encryptedData = out.toByteArray();
 out.close();
 return encryptedData;
 }

 /**
 * 私钥解密
 *
 * @param encryptedData
 * @param privateKey
 * @return
 * @throws Exception
 */
 public static byte[] decryptByPrivateKey(byte[] encryptedData,
      String privateKey) throws Exception {
 PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey.getBytes());
 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
 Key privateK = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
 Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
 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 > 118) {
  cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, 118);
  } else {
  cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, inputLen - offSet);
  }
  out.write(cache, 0, cache.length);
  i++;
  offSet = i * 118;
 }
 byte[] decryptedData = out.toByteArray();
 out.close();
 return decryptedData;
 }

 /**
 * 私钥加密
 *
 * @param data
 * @param privateKey
 * @return
 * @throws Exception
 */
 public static byte[] encryptByPrivateKey(byte[] data, String privateKey)
  throws Exception {
 PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(publicKey.getBytes());
 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
 Key privateK = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
 Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateK);
 int inputLen = data.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 > 117) {
  cache = cipher.doFinal(data, offSet, 117);
  } else {
  cache = cipher.doFinal(data, offSet, inputLen - offSet);
  }
  out.write(cache, 0, cache.length);
  i++;
  offSet = i * 117;
 }
 byte[] encryptedData = out.toByteArray();
 out.close();
 return encryptedData;
 }

	/**
 * 公钥解密
 *
 * @param encryptedData
 * @param publicKey
 * @return
 * @throws Exception
 */
 public static byte[] decryptByPublicKey(byte[] encryptedData,
      String publicKey) throws Exception {
 X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey.getBytes());
 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
 Key publicK = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
 Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicK);
 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 > 118) {
  cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, 118);
  } else {
  cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, inputLen - offSet);
  }
  out.write(cache, 0, cache.length);
  i++;
  offSet = i * 118;
 }
 byte[] decryptedData = out.toByteArray();
 out.close();
 return decryptedData;
 }

4. 组合加密

上面介绍的3种加密技术，每一种都有自己的特点，比如散列技术用于特征值提取，对称加密速度虽快但是有私匙泄露的危险，非对称加密虽然安全但是速度却慢。基于这些情况，现在的加密技术更加趋向于将这些加密的方案组合起来使用，基于此来研发新的加密算法。

MAC（Message Authentication Code，消息认证码算法）是含有密钥散列函数算法，兼容了MD和SHA算法的特性，并在此基础上加上了密钥。因此MAC算法也经常被称作HMAC算法。MAC（Message Authentication Code，消息认证码算法）是含有密钥散列函数算法，HMAC加密可以理解为加盐的散列算法，此处的“盐”就相当于HMAC算法的秘钥。

HMAC算法的实现过程需要一个加密用的散列函数（表示为H）和一个密钥。

经过MAC算法得到的摘要值也可以使用十六进制编码表示，其摘要值得长度与实现算法的摘要值长度相同。例如 HmacSHA算法得到的摘要长度就是SHA1算法得到的摘要长度，都是160位二进制数，换算成十六进制的编码为40位。

MAC算法的实现：

算法 摘要长度 备注 HmacMD5 128 JAVA6实现 HmacSHA1 160 JAVA6实现 HmacSHA256 256 JAVA6实现 HmacSHA384 384 JAVA6实现 HmacSHA512 512 JAVA6实现 HmacMD2 128 BouncyCastle实现 HmacMD4 128 BouncyCastle实现 HmacSHA224 224 BouncyCastle实现

过程如下：

1. 在密钥key后面添加0来创建一个长为B(64字节)的字符串（str）；
2. 将上一步生成的字符串(str) 与ipad（0x36）做异或运算，形成结果字符串（istr）;
3. 将数据流data附加到第二步的结果字符串(istr)的末尾；
4. 做md5运算于第三步生成的数据流(istr)；
5. 将第一步生成的字符串(str) 与opad（0x5c）做异或运算，形成结果字符串（ostr），再将第四步的结果(istr) 附加到第五步的结果字符串（ostr）的末尾做md5运算于第6步生成的数据流（ostr），最终输出结果(out)
   

注意：如果第一步中，key的长度klen大于64字节，则先进行md5运算，使其长度klen = 16字节。

JDK中的实现：

public static void jdkHmacMD5() {
 try {
 // 初始化KeyGenerator
 KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("HmacMD5");
 // 产生密钥
 SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
 // 获取密钥
 byte[] key = secretKey.getEncoded();
 //  byte[] key = Hex.decodeHex(new char[]{'1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e'});
 // 还原密钥
 SecretKey restoreSecretKey = new SecretKeySpec(key, "HmacMD5");
 // 实例化MAC
 Mac mac = Mac.getInstance(restoreSecretKey.getAlgorithm());
 // 初始化MAC
 mac.init(restoreSecretKey);
 // 执行摘要
 byte[] hmacMD5Bytes = mac.doFinal("data".getBytes());
 System.out.println("jdk hmacMD5:" + new String(hmacMD5Bytes));
 } catch (Exception e) {
 e.printStackTrace();
 }
}

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