【加密算法】5 种常见的摘要、加密算法
大家平时的工作中，可能也在很多地方用到了加密、解密，比如：
- 用户的密码不能明文存储，要存储加密后的密文
- 用户的银行卡号、身份证号之类的敏感数据，需要加密传输
- 还有一些重要接口，比如支付，客户端要对请求生成一个签名，服务端要对签名进行验证
- ……
那么上面提到的这些能力，我们都可以利用哪些加密算法来实现呢？咱们接着往下看。
加密算法整体上可以分为：不可逆加密、可逆加密。可逆加密又可以分为：对称加密、非对称加密。
1.不可逆算法
不可逆加密的算法的加密是不可逆的，密文无法被还原成原文。
散列算法，就是一种不可逆算法。散列算法中，明文通过散列算法生成散列值，散列值是长度固定的数据，和明文长度无关；常用于数字签名、消息认证、密码存储等场景；不需要密钥的，当然也有一些不可逆算法，需要密钥，例如 HMAC 算法。
散列算法的具体实现有很多种，常见的包括 MD5、SHA1、SHA-224、SHA-256 等等。
1.1 MD5
MD5，全称为 “Message-Digest Algorithm 5”，翻译过来叫“信息摘要算法”。它可以将任意长度的数据通过散列算法，生成一个固定长度的散列值。MD5算法的输出长度为 128 位，通常用 32 个 16 进制数表示
public class Md5Util {
private static final String[] hexDigits = new String[]{"0", "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8", "9", "a", "b", "c", "d", "e", "f"};
/**
* 获取MD5加密结果
*
* @param plainText 要加密的原字符串
* @param uppercase 是否转为大写字符串
* @param bit 加密结果位数（16，32）,默认是32
* @return 返回加密结果
*/
public static String encrypt(String plainText, boolean uppercase, Integer bit) {
byte[] btInput = plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
MessageDigest messageDigest;
try {
//获得MD5摘要对象
messageDigest = MessageDigest.getInstance("MD5");
//使用指定的字节数组更新摘要信息
messageDigest.update(btInput);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
throw new RuntimeException("MD5签名过程中出现错误,算法异常");
}
byte[] digest = messageDigest.digest();
//字节数组转成16进制字符串
String result = byteArrayToHexString(digest);
//如果获取的是16位加密结果的，则截取原加密结果（32位）中间的16位，也就是8-24位
if (bit != null && bit == 16) {
//截取下标从0开始
result = result.substring(8, 24);
}
//结果的大小写处理
return uppercase ? result.toUpperCase() : result;
}
/**
* 字节数组转成16进制字符串
*
* @author zzc
* @date 2023/6/28 17:29
* @param bytes
* @return java.lang.String
*/
private static String byteArrayToHexString(byte[] bytes) {
StringBuilder builder = new StringBuilder();
for (byte b : bytes) {
builder.append(byteToHexString(b));
}
return builder.toString();
}
/**
* 字节转成16进制字符
*
* @author zzc
* @date 2023/6/28 17:29
* @param b
* @return java.lang.String
*/
private static String byteToHexString(byte b) {
int n = b;
if (n < 0) {
n = 256 + n;
}
int d1 = n / 16;
int d2 = n % 16;
return hexDigits[d1] + hexDigits[d2];
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
String s = "zzc";
System.out.println(encrypt(s, false, 32));
}
}
- 优点：算速度快、输出长度固定、应用广泛
- 缺点：不安全。
MD5算法已经被攻破，而且 MD5 算法的输出长度有限，攻击者可以通过暴力破解或彩虹表攻击等方式，找到与原始数据相同的散列值，从而破解数据。虽然可以通过加盐，也就是对在原文里再加上一些不固定的字符串来缓解，但是完全可以用更安全的 SHA 系列算法替代
1.2 SHA-256
SHA（Secure Hash Algorithm）系列算法是一组密码散列函数，用于将任意长度的数据映射为固定长度的散列值。SHA系列算法由美国国家安全局（NSA）于1993年设计，目前共有 SHA-1、SHA-2、SHA-3 三种版本。其中 SHA-1 系列存在缺陷，已经不再被推荐使用。
SHA-2 算法包括 SHA-224、SHA-256、SHA-384 和 SHA-512 四种散列函数，分别将任意长度的数据映射为 224 位、256 位、384 位和 512 位的散列值。
public class SHA256Util {
public static String getSHA256String(String str) {
MessageDigest messageDigest;
String sha256Str = "";
try {
messageDigest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
messageDigest.update(str.getBytes("UTF-8"));
sha256Str = byte2Hex(messageDigest.digest());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return sha256Str;
}
/**
* 将byte转为16进制
*
* @param bytes
* @return
*/
private static String byte2Hex(byte[] bytes) {
StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
String temp = null;
for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
temp = Integer.toHexString(bytes[i] & 0xFF);
if (temp.length() == 1) {
stringBuffer.append("0");
}
stringBuffer.append(temp);
}
return stringBuffer.toString();
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
String data = "Hello World";
String encryptedData = getSHA256String(data);
System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);
}
}
SHA-2 算法之所以比 MD5 强，主要有两个原因：
- 散列值长度更长：例如 SHA-256 算法的散列值长度为 256 位，而 MD5 算法的散列值长度为 128 位，这就提高了攻击者暴力破解或者彩虹表攻击的难度。
- 更强的碰撞抗性：SHA 算法采用了更复杂的运算过程和更多的轮次，使得攻击者更难以通过预计算或巧合找到碰撞。
当然，SHA-2 也不是绝对安全的，散列算法都有被暴力破解或者彩虹表攻击的风险，所以，在实际的应用中，加盐还是必不可少的
2.可逆算法
2.1 对称加密
对称加密算法：使用同一个密钥进行加密和解密。加密和解密过程使用的是相同的密钥，因此密钥的安全性至关重要。如果密钥泄露，攻击者可以轻易地破解加密数据。
常见的对称加密算法包括 DES、3DES、AES 等。其中，AES 算法是目前使用最广泛的对称加密算法之一，具有比较高的安全性和加密效率
2.1.1 DES
DES（Data Encryption Standard）算法是一种对称加密算法，由IBM公司于1975年研发，是最早的一种广泛应用的对称加密算法之一。
DES 算法使用 56 位密钥对数据进行加密，加密过程中使用了置换、替换、异或等运算，具有较高的安全性
public class DES {
private static final String DES_ALGORITHM = "DES";
/**
* DES加密
*
* @param data 待加密的数据
* @param key 密钥，长度必须为8位
* @return 加密后的数据，使用Base64编码
*/
public static String encrypt(String data, String key) throws Exception {
// 根据密钥生成密钥规范
KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
// 根据密钥规范生成密钥工厂
SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(DES_ALGORITHM);
// 根据密钥工厂和密钥规范生成密钥
SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(keySpec);
// 根据加密算法获取加密器
Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_ALGORITHM);
// 初始化加密器，设置加密模式和密钥
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
// 加密数据
byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data.getBytes());
// 对加密后的数据进行Base64编码
return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);
}
/**
* DES解密
*
* @param encryptedData 加密后的数据，使用Base64编码
* @param key 密钥，长度必须为8位
* @return 解密后的数据
*/
public static String decrypt(String encryptedData, String key) throws Exception {
// 根据密钥生成密钥规范
KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
// 根据密钥规范生成密钥工厂
SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(DES_ALGORITHM);
// 根据密钥工厂和密钥规范生成密钥
SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(keySpec);
// 对加密后的数据进行Base64解码
byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
// 根据加密算法获取解密器
Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_ALGORITHM);
// 初始化解密器，设置解密模式和密钥
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
// 解密数据
byte[] decryptedData = cipher.doFinal(decodedData);
// 将解密后的数据转换为字符串
return new String(decryptedData);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
String data = "Hello World";
String key = "12345678";
String encryptedData = encrypt(data, key);
System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);
String decryptedData = decrypt(encryptedData, key);
System.out.println("解密后的数据：" + decryptedData);
}
}
DES 的算法速度较快，但是在安全性上面并不是最优选择，因为DES算法的密钥长度比较短，被暴力破解和差分攻击的风险比较高，一般推荐用一些更安全的对称加密算法，比如 3DES、AES
2.1.2 AES
AES（Advanced Encryption Standard）即高级加密标准，是一种对称加密算法，被广泛应用于数据加密和保护领域。AES 算法使用的密钥长度为 128 位、192 位或 256 位，比 DES 算法的密钥长度更长，安全性更高
public class AES {
private static final String AES_ALGORITHM = "AES";
// AES加密模式为CBC，填充方式为PKCS5Padding
private static final String AES_TRANSFORMATION = "AES/CBC/PKCS5Padding";
// AES密钥为16位
private static final String AES_KEY = "1234567890123456";
// AES初始化向量为16位
private static final String AES_IV = "abcdefghijklmnop";
/**
* AES加密
*
* @param data 待加密的数据
* @return 加密后的数据，使用Base64编码
*/
public static String encrypt(String data) throws Exception {
// 将AES密钥转换为SecretKeySpec对象
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(AES_KEY.getBytes(), AES_ALGORITHM);
// 将AES初始化向量转换为IvParameterSpec对象
IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(AES_IV.getBytes());
// 根据加密算法获取加密器
Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_TRANSFORMATION);
// 初始化加密器，设置加密模式、密钥和初始化向量
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec, ivParameterSpec);
// 加密数据
byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
// 对加密后的数据使用Base64编码
return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);
}
/**
* AES解密
*
* @param encryptedData 加密后的数据，使用Base64编码
* @return 解密后的数据
*/
public static String decrypt(String encryptedData) throws Exception {
// 将AES密钥转换为SecretKeySpec对象
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(AES_KEY.getBytes(), AES_ALGORITHM);
// 将AES初始化向量转换为IvParameterSpec对象
IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(AES_IV.getBytes());
// 根据加密算法获取解密器
Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_TRANSFORMATION);
// 初始化解密器，设置解密模式、密钥和初始化向量
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec, ivParameterSpec);
// 对加密后的数据使用Base64解码
byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
// 解密数据
byte[] decryptedData = cipher.doFinal(decodedData);
// 返回解密后的数据
return new String(decryptedData, StandardCharsets.UTF_8);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
String data = "Hello World";
String encryptedData = encrypt(data);
System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);
String decryptedData = decrypt(encryptedData);
System.out.println("解密后的数据：" + decryptedData);
}
}
AES 算法采用的密钥长度更长，密钥空间更大，安全性更高，能够有效地抵抗暴力破解攻击。当然，因为密钥长度较长，需要的存储也更多。
对于对称加密算法而言，最大的痛点就在于密钥管理困难，相比而言，非对称加密就没有这个担忧
2.2 非对称加密
非对称加密算法需要两个密钥，这两个密钥互不相同，但是相互匹配，一个称为公钥，另一个称为私钥。使用其中的一个加密，则使用另一个进行解密。例如使用公钥加密，则需要使用私钥解密。
RSA 算法是是目前应用最广泛的非对称加密算法
public class RSA {
private static final String RSA_ALGORITHM = "RSA";
/**
* 生成RSA密钥对
*
* @return RSA密钥对
*/
public static KeyPair generateKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException {
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(RSA_ALGORITHM);
keyPairGenerator.initialize(2048); // 密钥大小为2048位
return keyPairGenerator.generateKeyPair();
}
/**
* 使用公钥加密数据
*
* @param data 待加密的数据
* @param publicKey 公钥
* @return 加密后的数据
*/
public static String encrypt(String data, PublicKey publicKey) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);
}
/**
* 使用私钥解密数据
*
* @param encryptedData 加密后的数据
* @param privateKey 私钥
* @return 解密后的数据
*/
public static String decrypt(String encryptedData, PrivateKey privateKey) throws Exception {
byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
byte[] decryptedData = cipher.doFinal(decodedData);
return new String(decryptedData, StandardCharsets.UTF_8);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
KeyPair keyPair = generateKeyPair();
PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
String data = "Hello World";
String encryptedData = encrypt(data, publicKey);
System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);
String decryptedData = decrypt(encryptedData, privateKey);
System.out.println("解密后的数据：" + decryptedData);
}
}
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优点：安全性高，公钥可以公开，私钥必须保密，保证了数据的安全性；可用于数字签名、密钥协商等多种应用场景。
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缺点：加密、解密速度较慢，密钥长度越长，加密、解密时间越长；密钥长度过短容易被暴力破解，密钥长度过长则会增加计算量和存储空间的开销