编程中常用的加密算法

前言

编程中常见的加密算法有以下几种，它们在不同场景中分别有应用。除信息摘要算法外，其它加密方式都会需要密钥。

• 信息摘要算法
• 对称加密算法
• 非对称加密算法

密钥

密钥（key，又常称金钥）是指某个用来完成加密、解密、完整性验证等密码学应用的秘密信息。

密钥分类

• 加解密中的密钥：对称加密中共享相同的密钥，非对称加密中分公钥和私钥，公钥加密私钥解密。
• 消息认证码和数字签名中的密钥：在消息认证码中，消息发送方和接收方使用共享密钥进行认证。在数字签名中，签名使用私钥，而验证使用公钥。
• 会话密钥和主密钥：每次通信只使用一次的密钥称为会话密钥（session key）。相对于会话密钥，重复使用的密钥称为主密钥（master key）。

密钥和密码

密码一般是由用户生成，具有可读性，可以记忆和存储，常用于软件管理，而密钥是供实现加密算法的软件使用，不需要具备可读性（不过在编程中为了方便阅读都进行Base64）。我们也可以通过密码来生成密钥。

密钥管理

• 生成密钥：可以用随机数生成密钥，也可以用口令生成密钥。

• 配送密钥：可采用事先共享密钥、使用密钥分配中心、使用公钥密码、使用Diffie-Hellman密钥交换。

• 更新密钥

• 保存密钥

• 作废密钥

密钥生成

jdk 中 jce (Java Cryptography Extension) 包含了加密相关的所有API。

生成对称加密算法的密钥

The KeyGenerator Class

    public static SecretKey generateKey(int keySize) {
        KeyGenerator keyGenerator;
        try {
            keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
            keyGenerator.init(keySize);
            return keyGenerator.generateKey();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            // ignore
            return null;
        }
    }

生成对称非对称加密算法的密钥

    /**
     * 生成非对称密钥对
     *
     * @param keySize 密钥大小
     * @param random  指定随机来源，默认使用 JCAUtil.getSecureRandom()
     * @return 非对称密钥对
     * @throws NoSuchAlgorithmException NoSuchAlgorithm
     */
    public static PPKeys genKeysRSA(int keySize, SecureRandom random) throws NoSuchAlgorithmException {
        KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        if (null != random) {
            generator.initialize(keySize, random);
        } else {
            generator.initialize(keySize);
        }
        KeyPair pair = generator.generateKeyPair();
        PPKeys keys = new PPKeys();
        PublicKey publicKey = pair.getPublic();
        PrivateKey privateKey = pair.getPrivate();
        keys.setPublicKey(Base64.getEncoder().encodeToString(publicKey.getEncoded()));
      keys.setPrivateKey(Base64.getEncoder().encodeToString(privateKey.getEncoded()));
        return keys;
    }

密钥协商（Diffie-Hellman）

密钥协商是一种协议，两方或多方在通过该协议建立相同的共享密钥，然后通讯内容进行对称加密传输，而不需要交换密钥。

大致过程：每一方生成一个公私钥对并将公钥分发给其它方，当都获得其他方的公钥副本后就可以离线计算共享密钥。

Java中提供了 KeyAgreement 可以实现密钥协商。

KeyAgreement 类

• Alice 和 Bob 分别用他们的私钥初始化自己的密钥协商对象 KeyAgreement ，调用init() 方法；
• 然后将通信的每一方的公钥 传入执行 doPhase(Key key, boolean lastPhase) ；
• 各方生成共享密钥 generateSecret()。

    public static void diffieHellman() throws Exception {
        AlgorithmParameterGenerator dhParams = AlgorithmParameterGenerator.getInstance("DH");
        dhParams.init(1024);
        KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
        keyGen.initialize(dhParams.generateParameters().getParameterSpec(DHParameterSpec.class), new SecureRandom());

        KeyAgreement aliceKeyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
        KeyPair alicePair = keyGen.generateKeyPair();
        KeyAgreement bobKeyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
        KeyPair bobPair = keyGen.generateKeyPair();

        aliceKeyAgree.init(alicePair.getPrivate());
        bobKeyAgree.init(bobPair.getPrivate());

        aliceKeyAgree.doPhase(bobPair.getPublic(), true);
        bobKeyAgree.doPhase(alicePair.getPublic(), true);

       boolean agree = Base64.getEncoder().encodeToString(aliceKeyAgree.generateSecret()).equals(
          Base64.getEncoder().encodeToString(bobKeyAgree.generateSecret())
        );
        System.out.println(agree);
    }

信息摘要算法

信息摘要算法又叫加密散列算法，加密过程不需要密钥，常见的加密散列算法有MD系列和SHA系列。

一个理想的加密散列函数应该具备以下特性：

• 任何信息传入后，输出的总是长度固定；
• 消息摘要看起来是“随机的”，这样根据原始信息就很难推测出值；
• 好的散列函数碰撞概率应该极低，也就是不同信息传入后得到相同值的概率；

MD系列

MD5信息摘要算法（MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的加密散列函数，输出出一个128位（16字节）的散列值（hash value），MD5最初设计为加密散列函数，而目前发现它存在大量漏洞，所以不建议直接用作加密，不过在非加密场景下如：数据完整性校验，文件完整性校验它仍然有广泛的应用。

    public static String md5(String content) {
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("MD5");
            byte[] bytes = digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            return Hex.encodeHexString(bytes);
        } catch (final NoSuchAlgorithmException e) {
            throw new IllegalArgumentException(e);
        }
    }

SHA系列

安全散列算法（Secure Hash Algorithm，缩写为SHA）是一个加密散列函数家族，是FIPS(美国联邦信息处理标准)所认证的安全散列算法。能计算出一个数字消息所对应到的，长度固定的字符串（又称消息摘要）的算法。且若输入的消息不同，它们对应到不同字符串的机率很高。

它们分别包含 SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3，其中 SHA-0、SHA-1 输出长度是160位，SHA-2 包含 SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256，我们平时常用 SHA-256 。

    public static String sha256(String content) {
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256);
            byte[] bytes = digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            return Hex.encodeHexString(bytes);
        } catch (final NoSuchAlgorithmException e) {
            throw new IllegalArgumentException(e);
        }
    }

对称加密算法

对称加密算法，双方持有相同密钥进行加解密，常见的对称加密算法：DES 3DES AES128 AES192 AES256。理解对称加密需要先明白下面几个概念：

• 分组密码模式：将明文切割进行加密，再将密文拼接到一起。比如AES中会将明文数据切割为大小16字节的数据块，最后一块不够16字节时，使用Padding模式进行补充。
• 填充（Padding）：它有三种模式PKCS5、PKCS7和NOPADDING，PKCS5用缺少的字节数来填充，比如缺少5个字节就填充5个数字5，PKCS7缺少的字节数用0来填充。如果数据刚好是16的整数倍，PKCS5和PKCS7会再补充一个16字节数据来区分填充和有效数据，NOPADDING模式不需要填充。
• 初始化向量：初始向量IV的作用是使加密更加安全可靠，在分组密码模式下IV大小对应数据块长度。
• 加密模式：四种加密模式分别是：ECB(电子密码本模式)、CBC(密码分组链接模式)、CFB、OFB。ECB模式是仅仅使用明文和密钥来加密数据，所以该模式下不需要Padding，安全性也较弱，CBC模式数据分块并且使用传入IV依次进行异或操作，安全性也相对较高，所以目前一般都选择CBC模式。
• 加密密钥：不同加密算法密钥长度不同，比如：DES 默认长度56位，3DES默认长度168位，也支持128位，AES默认128位，也支持192位，256位。我们一般根据密码生成密钥，密码长度需要满足算法密钥长度。

DES

DES 是对称加密算法领域中的典型算法，因为密钥默认长度为56 bit，所以密码长度需要大于 8 byte，DESKeySpec 取前 8 byte 进行密钥制作。

 public static String encryptDES(byte[] content, String password) {
        try {
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(password.getBytes());
            SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(desKeySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, random);
            return Base64.getEncoder().encodeToString(cipher.doFinal(content));
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static String decryptDES(String content, String password) throws Exception {
        SecureRandom random = new SecureRandom();
        DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(password.getBytes());
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
        SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(desKeySpec);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, random);
        return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(content)));
    }

3DES

3DES（即Triple DES）。是DES算法的加强，它使用3条56位的密钥对数据进行三次加密。它以DES为基本模块，通过组合分组方法设计出分组加密算法。比起最初的DES，3DES更为安全。密钥默认长度 168 bit， 密码需要大于24 byte，IV 是 8 byte 的随机数字和字母数组。

    public static String encrypt3DESECB(String content, String key, String iv) {
        try {
            IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
            SecretKey secretkey = keyFactory.generateSecret(dks);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/CBC/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretkey, ivSpec);
            return Base64.getEncoder().encodeToString(cipher.doFinal(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static String decrypt3DESECB(String content, String key, String iv) {
        try {
            IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
            SecretKey secretkey = keyFactory.generateSecret(dks);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/CBC/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretkey, ivSpec);
            return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(content)), StandardCharsets.UTF_8);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

AES

AES 高级数据加密标准，能够有效抵御已知的针对DES算法的所有攻击，默认密钥长度为128 bit，还可以供选择 192 bit，256 bit。AES-128 AES-192 AES-256

默认 AES-128 ，使用 PBEKeySpec 生成固定大小的密钥。

public static String encryptAES128(String plainText, String password, String salt) throws Exception {
        SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");
        byte[] saltBytes = salt.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        // AES-128 密钥长度为128bit
        PBEKeySpec spec = new PBEKeySpec(
          password.toCharArray(),
          saltBytes,
          1000,
          128
        );
        SecretKey secretKey = factory.generateSecret(spec);
        SecretKeySpec secret = new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), "AES");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        AlgorithmParameters params = cipher.getParameters();
        IvParameterSpec iv = params.getParameterSpec(IvParameterSpec.class);

        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secret, iv);
        byte[] encryptedTextBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

        String encodedText = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedTextBytes);
        String encodedIV = Base64.getEncoder().encodeToString(iv.getIV());
        String encodedSalt = Base64.getEncoder().encodeToString(saltBytes);
        return encodedSalt + "." + encodedIV + "." + encodedText;
    }


    public static String decryptAES128(String encryptedText, String password) throws Exception {
        String[] fields = encryptedText.split("\\.");
        byte[] saltBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[0]);
        byte[] ivBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[1]);
        byte[] encryptedTextBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[2]);

        SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");
        PBEKeySpec spec = new PBEKeySpec(
          password.toCharArray(),
          saltBytes,
          1000,
          128
        );

        SecretKey secretKey = factory.generateSecret(spec);
        SecretKeySpec secret = new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), "AES");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secret, new IvParameterSpec(ivBytes));
        byte[] decryptedTextBytes;
        try {
            decryptedTextBytes = cipher.doFinal(encryptedTextBytes);
            return new String(decryptedTextBytes);
        } catch (IllegalBlockSizeException | BadPaddingException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

使用 AES-256 时可能会出现下面异常：

 java.security.InvalidKeyException: Illegal key size

JDK 1.8.0_161 及以上版本默认已经启用无限强度加密：

    static {
        java.security.Security.setProperty("crypto.policy", "unlimited");
    }

JDK 1.8.0_161以前版本需要手动安装 jce 策略文件（下载地址）

非对称加密算法

非对称加密使用一对密钥，公钥用作加密，私钥则用作解密。关于密钥大小，截至2020年，公开已知的最大RSA密钥是破解的是829位的RSA-250，建议至少使用 2048 位密钥。

非对称加密

    public static String encrypt(byte[] publicKey, String plainText) {
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
        KeyFactory kf;
        try {
            kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PublicKey publicKeySecret = kf.generatePublic(keySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKeySecret);
            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
            return new String(Base64.getEncoder().encode(encryptedBytes));
        } catch (Exception e) {
            log.error("Rsa encrypt error ", e);
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static String decrypt(byte[] privateKey, String encryptedText) {
        PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
        KeyFactory kf;
        try {
            kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PrivateKey privateKeySecret = kf.generatePrivate(keySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKeySecret);
            return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedText)), StandardCharsets.UTF_8);
        } catch (Exception e) {
            log.error("Rsa decrypt error ", e);
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }