一文搞懂数据转换之摘要、编码、加密、签名

一.转义

转义的作用?

转义通常有两种功能。第一种是如果不进行转义就可能与语法规定的某些内容产生混淆，所以这些内容都被设计为需要转义。 第二种也叫字符引用，用于表示无法在当前上下文中被键盘录入的字符（如字符串中的回车符）。

第一种作用

以经典的JAVA语言中字符串中的字符转义为例。如果在一个字符串中存在一个"符号，那么就需要在"符号前添加\才能够正常的表示，比如下面这样:

String content="他说\"他需要休息\"";

之所以需要这样，是因为对于字符串来说，“本身就是表示一个字符串的起止符号。如果不进行转义，那么编译器将无法正确的识别其中的"哪些是分隔符，哪些是字符串内部的”。

第二种作用

回车符和换行符，再正常情况下，这样的字符是不可见的，对于这种字符，不采用转义的形式进行表达那么会比较困难。如果在一个字符串中存在回车符，那么就需要用\r表示。如果在一个字符串中存在换行符，那么就需要用\n表示。比如下面这样:

String content="床前明月光，/r/n疑是地上霜";

二. 编码解码

1. 什么是编码解码?

编码是采用一种新的载体来表示前一个载体所表达的信息。解码，是编码的逆过程。从概念上可以看出，编码本质上是信息形式的转化，没有保密的作用，因为编码和解码的算法是公开的，只要知道是什么编码的内容，任何人都可以轻松地解码。编码的目的不是为了加密信息，而是将信息转化成统一的格式，方便在不同系统之中传输。

信息->编码->二进制->解码->信息

2. 常见的编码方式

文本文件编码

将“文本数据”编码为“二进制数据”，以实现通过“二进制数据”进行存储或者传输的目的。文本文件在计算机中，最终的载体只能是二进制文件的形式存在。由于计算机诞生在美国，文本内容也只包含有英文内容。因此当时只要使用ASCII进行编码就可以了。但是后来随着计算机的普及，需要表达的信息越来越多了。因此诞生了UTF-8, UTF-16,UTF-32, Unicode, ISO8859-1, GBK, GB2312等等编码形式。在计算机领域，数据存储单位叫字节——byte，最小的存储单元的容量是1位-1bit。一个bit有两个状态 0 和 1。1byte = 8bit。通常，一个英文字母占1字节，汉字采用GBK编码时，占用2字节。UTF-8是可变长度编码，一般用 0-4 字节表示。

但不论如何，这些编码其实都是对文本信息的编码形式。

Base64编码

将“二进制数据”编码为“64个可打印字符的组合”，以实现通过“可打印字符的形式”进行存储或者传输的目的。无论是公钥证书，还是电子邮件数据，经常要用到Base64编码，那么为什么要做一下这样的编码呢？因为在计算机中任何数据都是按ascii码存储的，而ascii码的128～255之间的值是不可见字符。 而在网络上交换数据时，比如说从A地传到B地，往往要经过多个路由设备， 由于不同的设备对字符的处理方式有一些不同，这样那些不可见字符就有可能被处理错误，这是不利于传输的。 所以就先把数据先做一个Base64编码，统统变成可见字符，这样出错的可能性就大降低了。
使用场景：

• 在Web场景中，在有些地方限制了数据传输的方式。例如，在URL，只能传递文本。因此，如果想要传输一组二进制数据（例如图片）。那么可以选用Base64编码，将二进制数据编码为可打印的字符串。这样才能完成URL上二进制数据的传输。
• 对证书来说，特别是根证书，一般都是作Base64编码的，因为它要在网上被许多人下载。
• 电子邮件的附件一般也作Base64编码的，因为一个附件数据往往是有不可见字符的。

URL编码

Url编码的原则就是使用安全的字符（没有特殊用途或者特殊意义的可打印字符）去表示那些不安全的字符从而达到适合传输的目的。例如：由于url只能使用英文字母、数字和某些标点符号，不能使用其他文字和符号，如果需要在URL中传递中文作为参数，或者需要在URL中传递空格、&、?、=等等特殊符号。这个时候就需要进行URL编码。编码的目的HTTP协议的内在要求，通过这种形式，可以浏览器表单数据的打包。

3. 乱码

一般，如果解码之后无法正确还原原来所表达的信息，此时就出现了乱码。例如，使用GB2312的方式去解码一个UTF8编码的文件，那么就会出现乱码。总的来说，乱码通常来说只是因为选用的解码方式和编码方式不同，而导致信息失真的情况。选用正确的编码就能够解读出正确的信息。

在编码或解码时，重点放在所有具有相同算法的人身上，并且该算法通常具有良好的文档记录、广泛的分布和相当容易实现的特点。任何人最终都能解码编码数据。

三. 摘要(哈希)

1. 什么是摘要？

摘要的目的是为了校验信息的完整性，保证信息在传输过程中不被篡改。例如我们下载一个压缩包后可以查看压缩包的MD5值。对比下载的压缩包MD5值和网站提供的MD5值，如果两个MD5值不一致，那么说明该压缩包不是官方提供的那个压缩包，可能被替换成其他文件或被修改过。摘要只是用于验证数据完整性和唯一性的哈希值，不管原始数据是什么样的，得到的哈希值都是固定长度的。也就是说摘要并不是原始数据加密后的密文，只是一个验证身份的令牌。所以我们无法通过摘要解密得到原始数据。

2. 哈希函数

散列函数（也叫哈希函数，哈希函数又称散列函数，杂凑函数，他是一个单向密码体制，即从明文到密文的不可逆映射，只有加密过程没有解密过程，哈希函数可以将任意长度的输入经过变化后得到固定长度的输出，这个固定长度的输出称为原消息的散列或消息映射。 理想的哈希函数可以针对不同的输入得到不同的输出，如果存在两个不同的消息得到了相同的哈希值，那我们称这是一个哈希碰撞），如果使用的是hash算法，在计算过程中原文的部分信息是丢失了的，所以是不可逆。

hash算法的目的：同样的一段数据通过hash函数总是能得到相同的摘要，不同的数据通过hash函数总是应该得到不同的摘要。hash的目的是理想化的，不管什么hash算法实际上总有特别小的概率会出现不同的原始数据通过hash函数可能会得到相同的结果，所以：越好的hash算法会将这个概率降到越低这个概率越低，黑客要通过手段碰撞出相同摘要的难度就越大。常见的算法有md5、 sha系列。

MD5

Md5是哈希算法的一种，Md5可以把任意数据转换为定长（或限制长度）数据的算法。哈希算法的设计目标本身就决定了，它在大多数时候都是不可逆的，即你经过哈希算法得出的数据，无法再经过任何算法还原回去。所以，既然不能将数据还原，所以也就不存在解密；既然不能解密，那么哈希的过程也就不是加密了。

使用场景
出于以上的这种特性，MD5常用来校验密码是否正确、校验下载文件是否完整无损：

• 校验密码是否正确：将用户注册的密码MD5摘要后储存起来，待用户登录时将用户录入的密码MD5摘要，对比两次摘要后的信息是否相等，相等即密码正确。（一般会进行加盐处理）
• 校验下载文件是否完整无损：我们常下载开源文件资源包时，可以看到网站上提供的该资源包的MD5，下载文件完毕后，可通过自己的程序或直接去一些网站上计算其MD5码，如果与官网上提供的一致，则表示文件完整无损。

SHA系列

sha系列有SHA2、SHA256、SHA512等，这些算法的复杂度相对要高(有兴趣的可以搜索相关的算法实现及进行学习)。

3. MD5的破解

MD5本质上不可逆，即不存在逆算法。MD5计算的过程中丢失了信息，一个MD5理论上的确是可能对应无数多个原文的，因为MD5是有限多个的而原文可以是无数多个。比如主流使用的MD5将任意长度的“字节串映射为一个128bit的大整数。也就是一共有2^{128种可能，大概是3.4*10}38，这个数字是有限多个的，而但是世界上可以被用来加密的原文则会有无数的可能性。虽然MD5本质上不可逆但是大部分简单的字符串 通过MD5加密的话 某种程度上来说是"可逆"的。原因是因为很多简单字符串MD5计算后的值，实际上是可以通过查表法等方式得到MD5前的原始串。也就是说MD5只能碰撞，无法真正破解。因为大量信息在hash过程中损失掉了。常用的密码攻击方式 常用的密码攻击方式有字典攻击、暴力破解、查表法、反向查表法、彩虹表等。

• 暴力破解：按照一定的顺序一个一个的去试
• 字典攻击：把常用的密码做成字典，破解时先看字典里是否存在，有效加快破解速度
• 查表法：使用一个大型字典，把每个p和对应的q都记录下来，按q做一下索引，直接查找匹配。
• 彩虹表 ：对于HASH的传统做法是把H(X)的所有输出穷举，查找，得出。而彩虹表则是使用散列链的方式进行。

4.MD5 加盐（salt）

123456的MD5码为e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e。一般来说，MD5摘要的结果是128位的摘要信息，然后每4位用一个16进制字符表示，所以，MD5摘要的结果一般显示为32位的16进制。如果你的系统用MD5摘要，并且无加盐，还经常使用123456为测试密码，对这一串MD5码一定很熟悉。这一些MD5码就静静地躺在DB中待校验。如果数据库被暴露（比如拖库），坏人得到了这些MD5码，就可以通过常用密码与其MD5码的映射关系，轻而易举地翻译出大多数密码。所以，一般来说，我们需要对原始密码进行加盐，所谓加盐，就是按照一定规则扰乱原有字符串，然后再进行MD5摘要。这个规则，自己定义，并且一定保密。

为了防止被暴力破解，可以加个密码盐，这样的话暴力破解几乎是搞不定了，即使搞定了可能也因为过去太久时间而变的没有价值。

四. 加密解密

1. 加密的概念

数据加密的基本过程，就是对原来为明文的文件或数据按某种算法进行处理，使其成为不可读的一段代码，通常称为 “密文”。通过这样的途径，来达到保护数据不被非法人窃取、阅读的目的。对数据进行转换以后，数据变成了另一种格式，并且除了拿到解密方法的人，没人能把数据转换回来。维护数据机密性，即确保数据不会被预期收件人以外的任何人使用。例如你想给某人发送一封密信，或通过互联网给人发送密码，这些对隐秘性要求比较强的事情，就需要对信息进行加密。因此，加密通常用于网络通信。因为网络上的通信数据，任何人都有可能会拿到，把数据加密后再传送，送达以后由对方解密后再查看，就可以防止网络上的偷窥。

加密是可逆的，明文 + 秘钥 = 加密信息，加密信息能通过密钥被还原为原始信息。

2. 解密

加密的逆过程为解密，即将该编码信息转化为其原来数据 的过程。

3. 加密的种类

加密又分为对称加密和非对称加密，区别在于在加密和解密信息时秘钥是不是同一个。若加解密使用相同密钥，则称为对称密钥加密，否则称为非对称密钥加密。

4. 对称加密

对称加密算法是应用较早的加密算法，又称为共享密钥加密算法。在对称加密算法中，使用的密钥只有一个，发送和接收双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密。这就要求加密和解密方事先都必须知道加密的密钥。

• 数据加密过程：在对称加密算法中，数据发送方将明文 (原始数据)和加密密钥一起经过特殊加密处理，生成复杂的加密密文进行发送。

• 数据解密过程：数据接收方收到密文后，若想读取原数据，则需要使用加密使用的密钥及`相同算法的逆算法对加密的密文进行解密，才能使其恢复成可读明文。
  优点
  对称加密算法的特点是算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。对称加密有很多种算法，由于它效率很高，所以被广泛使用在很多加密协议的核心当中。
  缺点
  交易双方都使用同样密钥，容易泄露导致密钥泄露，所以安全性得不到保证。

常见的对称加密有DES，3DES，AES，Blowfish，Twofish，IDEA，RC6，CAST5等。

DES加密

Data Encryption Standard，DES 加密算法出自 IBM 的研究，后来被美国政府正式采用，之后开始广泛流传。它的特点是数据加密标准，速度较快，适用于加密大量数据的场合。但近些年使用越来越少，因为 DES 使用 56 位密钥，以现代的计算能力，24 小时内即可被轻易破解。

AES加密

AES的全称是Advanced Encryption Standard，意思是高级加密标准。它的出现主要是为了取代DES加密算法的，因为我们都知道DES算法的密钥长度是56Bit，因此算法的理论安全强度是2的56次方。比较容易被破解。而AES可以使用128、192、和256位密钥，并且用128位分组加密和解密数据，相对来说安全很多。完善的加密算法在理论上是无法破解的，除非使用穷尽法。使用穷尽法破解密钥长度在128位以上的加密数据是不现实的，也仅存在理论上的可能性。统计显示，即使使用目前世界上运算速度最快的计算机，穷尽128位密钥也要花上几十亿年的时间，更不用说去破解采用256位密钥长度的AES算法了。所以AES比较难被破解。

1. 填充：
   AES是分组密码，分组密码也就是把加密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。
   

上面说到AES算法在对明文加密的时候，并不是把整个明文整个加密成一整段密文，而是把明文拆分成一个个独立的明文块，每一个明文块长度128bit。这些明文块经过AES加密器的复杂处理，生成一个个独立的密文块，这些密文块拼接在一起，就是最终的AES加密结果。但是这里涉及到一个问题：假如一段明文长度是192bit，如果按每128bit一个明文块来拆分的话，第二个明文块只有64bit，不足128bit。这时候怎么办呢？就需要对明文块进行填充（Padding）。AES在不同的语言实现中有许多不同的填充算法，我们只举出集中典型的填充来介绍一下。

• NoPadding：
  不做任何填充，但是要求明文必须是16字节的整数倍。

• PKCS5Padding（默认）：
  如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字符，且每个字节的值等于缺少的字符数。

• ISO10126Padding：
  如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字节，最后一个字符值等于缺少的字符数，其他字符填充随机数。

需要注意的是，如果在AES加密的时候使用了某一种填充方式，解密的时候也必须采用同样的填充方式。才能正确的完成解密。填充明文时，如果明文长度原本就是16字节的整数倍，那么除了NoPadding以外，其他的填充方式都会填充一组额外的16字节明文块。

2. 模式:
   AES的工作模式，体现在把明文块加密成密文块的处理过程中。AES加密算法提供了五种不同的工作模式：ECB、CBC、CTR、CFB、OFB，模式之间的主题思想是近似的，在处理细节上有一些差别。这里只介绍各个模式的基本定义(有兴趣的可以自行搜索相应的内容阅读)。

• ECB模式（默认）：电码本模式
• CBC模式：密码分组链接模式
• CTR模式：计算器模式
• CFB模式：密码反馈模式
• OFB模式：输出反馈模式

同样的，如果在AES加密的时候使用了某一种工作模式，解密的时候也必须采用同样的工作模式。

5. 非对称加密

非对称加密算法，又称为公开密钥加密算法。它需要两个密钥，一个称为公开密钥 (public key)，即公钥，另一个称为 私有密钥 (private key)，即 私钥。

• 如果使用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能进行解密。
• 如果使用私钥对数据进行加密，只有用对应的公钥才能进行解密。
• 密钥是成对出现。使用一对“私钥-公钥”，用私钥加密的内容只有对应公钥才能解开。

常见的非对称加密有RSA、ESA、ECC等。

RSA加密

RSA名称来源于发明这个算法的三个人的姓氏组成，算法大致内容就是对极大整数进行因式分解。这种算法非常可靠，密钥越长，它就越难破解(有兴趣的可以搜索相关算法的实现进行研究)。根据已经披露的文献，目前被破解的最长 RSA密钥是768个二进制位。也就是说，长度超过768位的密钥，目前还无法破解。因此可以认为，1024位的RSA密钥基本安全，2048位的密钥极其安全。目前主流的有RSA-1024， RSA-2048，RSA-4096等，数字代表的是密钥长度，密钥长度越长，安全性越高，但相应的性能会下降。

RSA算法优点

• 不需要进行密钥传递，提高了安全性。
• 可以进行数字签名认证。

RSA算法缺点

• 加密解密效率不高，一般只适用于处理小量数据（如：密钥）。
• 容易遭受小指数攻击。

RSA算法提供了生成公钥和私钥的方法，注意是成对生成的！一般将公钥保存在客户端、私钥保存在服务端。黑客反编译可能拿到公钥，但是因为私钥存储在服务器，所以不用太担心泄密。

在使用RSA加解密中必须考虑到的密钥长度、明文长度和密文长度的问题。明文长度需要小于密钥长度，而密文长度则等于密钥长度。因此当加密内容长度大于密钥长度时，有效的RSA加解密就需要对内容进行分段处理才能进行加密。因为，RSA算法本身要求加密内容也就是明文长度m必须0 我们一般使用的padding标准有NoPPadding、OAEPPadding、PKCS1Padding等。

RSA加密中的Padding

严格地说RSA也是一种“块”加密/解密。加密前输入长度必须与“模”相同：不足需要填充(Padding)；明文长度大于“密钥”长度，则需要“分组”，最后一组同样需要填充(Padding)。所以密钥的长度也大于加密明文的长度，因此RSA不适合加密大段文本，一般用来加密一个对称加密的密钥，然后再用此对称加密密钥对大段文本加密。

1. RSA_PKCS1_PADDING 填充模式，
   最常用的模式，当你选择 RSA_PKCS1_PADDING 填充模式时，如果你的明文不够 128 字节， 加密的时候会在你的明文中随机填充一些数据，所以会导致对同样的明文每次加密后的结果都不一样。对于加密后的密文，解密端使用相同的填充方式都能解密。解密后的明文也就是之前加密的明文。

• 输入：必须 比 RSA 钥模长(modulus) 短至少11个字节, 也就是RSA_size(rsa) – 11如果输入的明文过长，必须切割，然后填充。
• 输出：和密钥一样长。

2. for RSA_NO_PADDING
   不填充模式，当在客户端选择 RSA_NO_PADDING 填充模式时，如果你的明文不够 128 字节， 加密的时候会在你的明文前面，前向的填充零。
   解密后的明文也会包括前面填充的零，这是服务器需要注意把解密后的字段前向填充的零去掉，才是真正之前加密的明文。

• 输入：可以和RSA钥模长一样长，如果输入的明文过长，必须切割，然后填充。
• 输出：和密钥一样长。

3. RSA_PKCS1_OAEP_PADDING
   是 PKCS#1 推出的新的填充方式，安全性是最高的，和前面 RSA_PKCS1_PADDING 的区别就是加密前的编码方式不一样

• 输入：RSA_size(rsa) – 41。
• 输出：和密钥一样长。

不同的填充方式加解密也是不同的，使用的时候要注意

五.数字签名和验签

1. 数字签名

A：数字签名技术是将明文进行特定HASH函数得到的摘要信息（消息完整性），再将摘要信息用A的私钥加密（身份认证），得到数字签名，将密文和数字签名一块发给B。

B：收到A的消息后，先将密文用自己的私钥解密，得到明文。将数字签名用A的公钥进行解密后，得到正确的摘要（解密成功说明A的身份被认证了）。
对明文进行摘要运算，得到实际收到的摘要，将两份摘要进行对比，如果一致，说明消息没有被篡改（消息完整性）。

2. 数字签名的作用

• 一是能确定消息的不可抵赖性，因为他人假冒不了发送方的私钥签名。发送方是用自己的私钥对信息进行加密的，只有使用发送方的公钥才能解密。
• 二是数字签名能保障消息的完整性。一次数字签名采用一个特定的哈希函数，它对不同文件产生的数字摘要的值也是不相同的。