Java加密与安全

一、简介

数据安全

• 防窃听
• 防篡改
• 防伪造
  古代加密方式：
• 移位密码：HELLO => IFMMP 按照英文顺序往后移动一位
• 替代密码：HELLO =>p12,5,3 或者是用某一本书的第几页第几行第几个字达到替换密码的目的

这些都是靠人的想象和直觉来涉及的，非常不靠谱，而现代计算机加密：

• 建立在严格的数据理论基础上
• 密码学逐渐发展成一门学科

总结

• 设计一个安全的加密算法非常困难
• 验证一个加密算法是否安全更加困难
• 当前被认为安全的加密算法仅仅是迄今为止尚未被攻破
• 不要 自己设计加密算法
• 不要 自己实现加密算法
• 不要 自己修改已有的加密算法

二、URL编码

一、什么是URL编码？
URL编码是浏览器发送数据给服务器时使用的编码。

• key1=value1&key2=value2&key3=valuye
• q=%E4%B8%AD%E6%96%87

什么是编码？
ascii码就是一种编码，例如

字母	编码（16进制）
A	0x41
B	0x42
C	0x43
D	0x44
...	...

---

汉字	Unicode编码	UTF-8编码
中	0x4e2d	0xe4b8ad
文	0x6587	0xe69687
编	0x7f16	0xe7bc96
码	0x7801	0xe7a081
...	...	...

URL编码规则是什么？

• A-Z,a-z,0-9以及**-_.***保持不变
• 其他字符以%XX表示
  例如：
  1.<：%3C
  2.中：%E4%B8%AD（utf-8：0xe4b8ad）

例子

/**
 * URL编码
 */
public class SecURL {
    public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {
        String original = "URL 参数";
        String encoded = URLEncoder.encode(original,"UTF-8");
        System.out.println("编码后："+encoded);
        String ori = new String(URLDecoder.decode(encoded,"UTF-8"));
        System.out.println("解码后："+ori);
    }
}

总结

• URL编码是编码算法，不是加密算法
• URL编码的目的是把任意文本数据编码为%前缀表示的文本，编码后的文本仅包含A-Z,a-z,0-9以及-_.，%*便于浏览器和服务器处理

二、Base64编码
* 什么是Base64编码？
是一种把二进制数据用文本表示的编码算法，例如：byte[]{0xe4,0xb8,0xad} ==> "5Lit"

索引	编码	索引	编码	索引	编码
0	A	26	a	52	0
1	B	27	b	53	1
2	C	28	c	...	...
3	D	29	d	61	9
...	...	...	...	62	+
25	Z	51	z	63	/

目的

• 是一种用文本（A-Z,a-z,0-9,+/=）表示二进制内容的方式
• 适用于文本协议
• 效率下降
  因为二进制经过base64编码它的长度会增加三分之一，如果数组的长度不是3的整数倍，末尾补0x00或0x00 0x00
  编码后加=表示补充了1个字节
  编码后加==表示补充了2个字节
  应用
• 电子邮件协议

/**
 * Base64编码
 */
public class SecBase64 {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String original = "Hello\u00ff编码测试";
        //withoutPadding()可以去掉编码后“=”这个字节，有没有=对于解码来说没有影响
        String b64 = Base64.getEncoder().withoutPadding().encodeToString(original.getBytes("UTF-8"));
        System.out.println(b64);
        String ori = new String(Base64.getDecoder().decode(b64), "UTF-8");
        System.out.println(ori);
    }
}

由于标准的base64在url中会引起冲突，所以在url中使用base64编码会使用另外一种。

在java中，使用url的base64编码它会把“+”变为“-”，把“/"变为“_”这样在传递url参数的时候不会引起冲突

总结

• Base64是编码算法，不是加密算法
• Base64编码的目的是把任意二进制数据编码为文本（长度增加1/3）
• 其他编码：Base32、Base48、Base58

三、摘要算法

一、什么是摘要算法？
摘要算法是一种能产生特殊输出格式的算法，这种算法的特点是：无论用户输入多少长度的原始数据，经过计算后输出的密文都是固定长度的，只要原数据稍有改变，输出的“摘要”便完全不同，因此，基于这种原理的算法便能对数据完整性提供较为健全的保障。
        常用的摘要算法主要有MD5和SHA1。D5的输出结果为16字节（128位），SHA1的输出结果为20字节（160位）。
摘要算法（又称哈希算法/数字指纹）
* 计算任意成都数据的摘要（固定长度）

• 相同的输入数据始终得到相同的输出
• 不同的输入数据尽量得到不同的输出

目的：

• 验证原始数据是否被篡改

例如：
输入：任意长度的数据（byte[]）
输出：固定长度的数据（byte[n]）
hash("hello") = 0x5e918d2
hash("hello,java") = 0x7a9d88e8
hash("hello,bob") = 0xa0dbae2f

Java的Object.hashCode()方法就是一个摘要算法
这就是说相同的输入必须得到相同的输出，当我们重新equals()方法的时候也要同时重新hashCode()方法

---

什么是碰撞？
两个不同的输入得到了相同的输出
例如：
hash("abc") = 0x12345678
hash("xyz") = 0x12345678
这个时候我们就说发生了碰撞，碰撞能不能呢，碰撞是不能避免的。
输出的字节是固定的，而输入的字节是不确定的

输出n bits	范围
0000000000	0
0000000001	1
0000000010	2
...	...
11111111111	62235

Hash算法的安全性？

• 碰撞率低
• 不能猜测输出
• 输入任意一个bit的变化都会造成完全不同的输出
• 很难从输出反推出输入（只能依靠暴力穷举）

常用摘要算法

彩虹表
什么是彩虹表呢？是一个预先计算好的常用的字符和md5的一个对照表。
抵御彩虹表

• 对每个口令额外添加随机数盐值（salt）

public static void main(String[] args) throws Exception{

        String str = "MD5摘要算法测试";
        byte[] bytes = toMD5(str.getBytes("UTF-8"));
        //以16进制的方式，打印出byte数组
        System.out.println(String.format("%032x",new BigInteger(1,bytes)));
    }
    public static byte[] toMD5(byte[] input){
        MessageDigest md;
        try {
            md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        }catch (Exception e){
            throw new RuntimeException(e);
        }
        md.update(input);
        return md.digest();
    }

public static void main(String[] args) throws Exception{

        String password = "helloworld";
        String salt = "Random salt";
        byte[] bytes = toMD5((salt+password).getBytes("UTF-8"));
        //以16进制的方式，打印出byte数组
        System.out.println(String.format("%032x",new BigInteger(1,bytes)));
    }
    public static byte[] toMD5(byte[] input){
        MessageDigest md;
        try {
            md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        }catch (Exception e){
            throw new RuntimeException(e);
        }
        md.update(input);
        return md.digest();
    }

---

二、SHA-1

• 也是一种哈希算法
• 输出160bits / 20 bytes
• 美国国家安全局开发
• SHA-0/SHA-1/SHA-256/SHA-512

例子：同md5

public static void main(String[] args) throws Exception{

        String str = "MD5摘要算法测试";
        byte[] bytes = toMD5(str.getBytes("UTF-8"));
        //由于SHA-1输出是40个字节，所以用%040x来表示输出
        System.out.println(String.format("%040x",new BigInteger(1,bytes)));
    }
    public static byte[] toMD5(byte[] input){
        MessageDigest md;
        try {
            md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
        }catch (Exception e){
            throw new RuntimeException(e);
        }
        md.update(input);
        return md.digest();
    }

jdk并未包含RipeMD160算法，需要单独下载jar包放入jdk中

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三、BouncyCastle

• 第三方提供的一组加密/哈希算法
• 提供JDK没有提供的算法 ，例如：RipeMD160哈希算法

如何使用第三方提供的算法？

• 添加第三方jar至classpath
• 注册第三方算法提供方
• 正常使用JDK提供的接口

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四、Hmac
Hmac：Hash-based Message Authentication Code

• 基于密钥的消息认证码算法

• 更安全的消息摘要算法
  HmacMD5可以看做带安全Salt的MD5
  

  public class Hmac {
  
  public static byte[] hmac(String hmacAlgorithm, SecretKey skey,byte[] input)throws Exception{
      Mac mac = Mac.getInstance(hmacAlgorithm);
      mac.init(skey);
      mac.update(input);
      return mac.doFinal();
  }
  
  public static void main(String[] args) throws Exception {
      String algorithm = "HmacSHA1";
      //String algorithm = "HmacSHA256";
      //原始数据
      String data = "hello world";
      //随机生成一个key
      KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
      SecretKey skey = keyGen.generateKey();
      //打印key
      byte[] key = skey.getEncoded();
      BigInteger bigInteger = new BigInteger(1, key);
      System.out.println("Key:"+bigInteger.toString(key.length/2));
      //用这个key计算
      byte[] result = hmac(algorithm,skey,data.getBytes("UTF-8"));
      BigInteger resultInteger = new BigInteger(1, result);
      System.out.println("Hash:"+resultInteger.toString(result.length/2));
  }
  }

  

总结：

• Hmac并不是重新发明的一种算法，而是把Key混入摘要的算法
• 可以配合MD5、SHA-1等摘要算法
• 摘要长度和原摘要算法长度相同

  四、对称加密算法

  一.什么是对称加密算法

• 加密和解密使用同一个密钥，例如：WinRAR
  

二、常用的加密算法

它们的密钥长度各不相同，密钥长度决定了加密的强度。工作模式和填充模式可以看做是加密算法的参数和格式的选择，jdk提供的算法并没有提供所有的工作模式及填充模式。
des算法因为密钥果断可以在短时间内暴力破解，已经被淘汰