Java加密与解密艺术

原创

诺__浅 2022-02-16 11:51:53 博主文章分类：Java ©著作权

文章标签 java 二进制算法解密 base64 文章分类 代码人生

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缘起

网络中为了保障数据安全性，会对数据做很多增加安全性的操作，比如加密，签名（摘要）等。而加密又分为对称加密和非对称加密，每一种加密方式又有不同加密算法来实现，常见的有比如MD5，DES，AES等，本文主要对常用的加密算法做一个入门。

加密算法分类

Java加密与解密艺术_二进制

单向散列算法

单向散列算法又叫签名摘要算法或摘要算法，是从一段明文中提取一段摘要出来，明文中任何一个字符的变动都会引起摘要的变动，从而实现对原文的真实性做校验。

比如有一个压缩包A求出来的摘要为c0bb4f54f1d8b14caf6fe1069e5f93ad，那么用户在下载这个压缩包到本地的时候就可以再次求一下摘要，然后与作者提供的摘要做比对，如果不一样，说明这个压缩包被人修改过，可能被人放入了病毒之类。

常见的单向散列算法有MD系列,Sha系列，Mac算法。

MD5：md5算法是典型的消息摘要算法，其前身有MD2、MD3和MD4算法，它由MD4、MD3和MD2算法改进而来。

SHA系列：也是由MD4演化而来，包括 SHA-1，SHA-224，SHA-256，SHA-384，和 SHA-512 等几种算法。其中，SHA-1，SHA-224 和 SHA-256 适用于长度不超过 2^64 二进制位的消息。SHA-384 和 SHA-512 适用于长度不超过 2^128 二进制位的消息。与MD5主要不同之处在于摘要长度，SHA算法的摘要长度更长，安全性更高。

HMAC：类似MD5和SHA，也是给定一个明文，通过HMAC得到这段明文的Hash值，但是与MD和SHA不同的是，HMAC运算的时候需要一个密钥的参与，通常称之为“盐”，其原理为 HMAC 进程将密钥（盐）与消息数据混合，使用哈希函数对混合结果进行哈希计算，将所得哈希值与该密钥混合，然后再次应用哈希函数。输出的哈希值长度为 160 位。此外，HMAC还能自己生成密钥而非人为构造密钥。调用的时候通常是hamc("明文"，"盐")这种方式。MD5和SHA系列在日常的使用过程中为了安全通常也会加盐，只是这个盐是直接拼在明文的后面，比如：MD5（"明文"+"盐"）.HMAC可以用来做报文签名，也就是防篡改，发送方在发送报文的时候在报文后面拼接上通过HMAC算法计算出的Hash值，接收方接收到的时候对这个Hash值进行验证，由于密钥（盐）是发送方和接收方提前约定好的，所以中间层即使获取了你的明文，他篡改了报文之后由于没有盐，他就无法得到运算之后的结果。这样接收端方可以验证这段报文的真实性。Java实现Hamc如下

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

public class HMACSHA1 {

    private static final String MAC_NAME = "HmacSHA1";
    private static final String ENCODING = "UTF-8";

    /*
     * 展示了一个生成指定算法密钥的过程 初始化HMAC密钥
     * @return
     * @throws Exception
     *
      public static String initMacKey() throws Exception {
      //得到一个 指定算法密钥的密钥生成器
      KeyGenerator KeyGenerator keyGenerator =KeyGenerator.getInstance(MAC_NAME);
      //生成一个密钥
      SecretKey secretKey =keyGenerator.generateKey();
      return null;
      }
     */

    /**
     * 使用 HMAC-SHA1 签名方法对对encryptText进行签名
     * @param encryptText 被签名的字符串
     * @param encryptKey  密钥
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] HmacSHA1Encrypt(String encryptText, String encryptKey) throws Exception
    {
        byte[] data=encryptKey.getBytes(ENCODING);
        //根据给定的字节数组构造一个密钥,第二参数指定一个密钥算法的名称
        SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(data, MAC_NAME);
        //生成一个指定 Mac 算法 的 Mac 对象
        Mac mac = Mac.getInstance(MAC_NAME);
        //用给定密钥初始化 Mac 对象
        mac.init(secretKey);

        byte[] text = encryptText.getBytes(ENCODING);
        //完成 Mac 操作
        return mac.doFinal(text);
    }
}

对称加密算法

DES：使用最广泛的算法，DES 的密钥的位数太短，只有56 比特，加密强度不够，而如果要提高加密强度（例如增加密钥长度），则系统开销呈指数增长。

3DES：解决DES密钥太短的问题，密钥长度112-168位，增加了迭代次数，速度较慢，效率不高。使用方式同DES。

AES：解决3DES加密效率低，速度慢的问题，成为DES算法的替代者，使用方式同DES。AES是下一代的加密算法标准，速度快，安全级别高。对内存的需求非常低。AES的密钥长度比DES大， AES同时还有AES128,AES192,AES256这些，后面的数字分别代表密钥的比特长度。AES所允许的密钥长度有128(bit),192(bit),256(bit)三个长度，对应的明文就是128/8=16字节，24字节和32字节。但是由于美国出口限制，导致目前只能用16个字节的密钥，用24和32字节的密钥会报错java.security.InvalidKeyException: Illegal key size or default parameters

不管是DES，3DES还是AES的又有五种加密模式：CBC、ECB、CTR、OCF、CFB，每一种加密模式其实现机理又不一样，加密出来的密文也不尽相同。

非对称加密算法

RSA：该算法有一个公钥和一个私钥。用公钥加密只有这个私钥能解开，用私钥加密也只有公钥能解开。在日常使用中通常私钥是只有服务端有，而公钥是多个客户端有。这样服务端发送的报文每一个客户端都可以解开（此处的应用场景通常用于签名，因为私钥只有服务端有，所以客户端能够解密出来这一段密文，就说明报文是服务端发送的而不是第三方发送的）。而客户端发送的报文也只有服务端能够解开，客户端互相之间是解不开的。故日常用私钥签名，公钥加密。

编码算法

严格来说编码算法并不属于加密算法，其原理只是对原文进行编码使之变成了一串肉眼无法辨别的编码，但如果通过计算机，能够很容易的再解码为明文，没有任何安全性可言。

BASE64：由于某些系统中只能使用ASCII字符。Base64就是用来将非ASCII字符的数据转换成ASCII字符的一种方法。由于ASCII码表是不包含中文的，所以Base64理论上应该不能作用于中文，但实际测试过程中确实是可以，这是什么原因我也不是很清楚，猜测只是把中文转成了字符而已。BASE64实现原理

URIEncode：由于url中对一些字符有限制，比如“+”，“/”等，而传统base64编码后会出现这些字符，这些字符会影响URL的使用，因此出现了UrlBase64编码。

JDK中对加密算法的支持

jdk中对加密算法有不错的支持，我们来看看具体有哪些。

jdk加密相关jar包以及package:

rt.jar：java.security.*包，定义了消息摘要算法的实现（不包括mac算法）以及加解密算法的使用接口
jce.jar：java.crypto.*包，DES,3DES以及AES中使用较多，RSA中会用到Cipher类。其中包含了DES,3DES以及AES的实现；比较常用的类Cipher，KeyGenerator,SecretKey,Key,SecretKeyFactory
rt.jar：java.security.cert.*包，提供用于解析和管理证书的类和接口，如Certificate以及CertificateFactory
Bouncy Castle:加密组件，安全提供者，javajce的补充（如java6不支持MD4，SSH-224,但bc支持），以及一些工具类，如Base64编码（UrlBase64类）以及十六进制编码（Hex类）。

此外还有很多开源组织也提供了很多不错的工具类，比如apache的commons-codec，apache的commons是一个工具包，而commons-codec就是这个工具包中用于加解密的。

下面给出一个在java中使用各种加密方式的代码

package com.bxoon.security;

import org.junit.jupiter.api.Test;
import sun.misc.BASE64Decoder;
import sun.misc.BASE64Encoder;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
import java.security.*;

/**
 * MD5加密
 */
public class MD5Util {

    /**
     * 功能简述: 测试MD5单向加密.
     * @throws Exception
     */
    @Test
    public void test01() throws Exception {
        String plainText = "Hello , world !";
        MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("md5");
        byte[] cipherData = md5.digest(plainText.getBytes());
        StringBuilder builder = new StringBuilder();
        for(byte cipher : cipherData) {
            String toHexStr = Integer.toHexString(cipher & 0xff);
            builder.append(toHexStr.length() == 1 ? "0" + toHexStr : toHexStr);
        }
        System.out.println(builder.toString());
    }

    /**
     * 功能简述: 使用BASE64进行双向加密/解密.
     * @throws Exception
     */
    @Test
    public void test02() throws Exception {
        BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
        BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder();
        String plainText = "Hello , world !";
        String cipherText = encoder.encode(plainText.getBytes());
        System.out.println("cipherText : " + cipherText);
        //cipherText : SGVsbG8gLCB3b3JsZCAh
        System.out.println("plainText : " +
                new String(decoder.decodeBuffer(cipherText)));
    }

    /**
     * 功能简述: 使用DES对称加密/解密.
     * @throws Exception
     */
    @Test
    public void test03() throws Exception {
        String plainText = "Hello , world !";
        String key = "12345678";    //要求key至少长度为8个字符

        SecureRandom random = new SecureRandom();
        DESKeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("des");
        SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(keySpec);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("des");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, random);
        byte[] cipherData = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
        System.out.println("cipherText : " + new BASE64Encoder().encode(cipherData));
        //PtRYi3sp7TOR69UrKEIicA==

        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, random);
        byte[] plainData = cipher.doFinal(cipherData);
        System.out.println("plainText : " + new String(plainData));
        //Hello , world !
    }

    /**
     * 功能简述: 使用RSA非对称加密/解密.
     * @throws Exception
     */
    @Test
    public void test04() throws Exception {
        String plainText = "Hello , world !";

        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("rsa");
        keyPairGenerator.initialize(1024);
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();

        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
        SecureRandom random = new SecureRandom();

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("rsa");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey, random);
        byte[] cipherData = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
        System.out.println("cipherText : " + new BASE64Encoder().encode(cipherData));

        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey, random);
        byte[] plainData = cipher.doFinal(cipherData);
        System.out.println("plainText : " + new String(plainData));
        //Hello , world !

        Signature signature  = Signature.getInstance("MD5withRSA");
        signature.initSign(privateKey);
        signature.update(cipherData);
        byte[] signData = signature.sign();
        System.out.println("signature : " + new BASE64Encoder().encode(signData));
        //ADfoeKQn6eEHgLF8ETMXan3TfFO03R5u+cQEWtAQ2lRblLZw1DpzTlJJt1RXjU451I84v3297LhR
        //co64p6Sq3kVt84wnRsQw5mucZnY+jRZNdXpcbwh2qsh8287NM2hxWqp4OOCf/+vKKXZ3pbJMNT/4
        ///t9ewo+KYCWKOgvu5QQ=

        signature.initVerify(publicKey);
        signature.update(cipherData);
        boolean status = signature.verify(signData);
        System.out.println("status : " + status);
        //true
    }

}