数据结构和算法专题---8、加密算法
本章我们会对加密算法做个简单介绍，包括概述、实现方式、典型场景做个说明。
散列
概述
严格来讲这不算是一种加密，而应该叫做信息摘要算法。该算法使用散列函数把消息或数据压缩成摘要，使得数据量变小，将数据的格式固定下来。通过数据打乱混合，重新创建一个叫做 散列值
常见算法
MD5、SHA（128、256）系列
| 名称 | 安全性 | 速度 |
|---|---|---|
| SHA-1 | 高 | 慢 |
| MD5 | 中 | 快 |
应用
常用于密码存储，或文件指纹校验。
网站用户注册后，密码经过MD5加密后的值，存储进DB。再次登录时，将用户输入的密码按同样的方式加密，与数据库中的密文比对。这样即使数据库被破解，或者开发人员可见，基于MD5的不可逆性，仍然不知道密码是什么。
其次是文件校验场景。例如从某站下载的文件（尤其是大文件，比如系统镜像iso），官方网站都会放置一个签名（可能是MD5，或者SHA），当用户拿到文件后，可以本地执行散列算法与官网签名比对是否一致，来判断文件是否被篡改。
实现
先添加commons坐标
>
>commons‐codec >
>commons‐codec >
>1.14 >
>
package com.ls.cloud.sys.alg.pwd;
import org.apache.commons.codec.digest.DigestUtils;
import java.math.BigInteger;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
public class Hash {
/**
* jdk的security实现md5
* 也可以借助commons-codec包
*/
public static String md5(String src) {
byte[] pwd = null;
try {
pwd = MessageDigest.getInstance("md5").digest(src.getBytes("utf-8"));
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
String code = new BigInteger(1, pwd).toString(16);
for (int i = 0; i < 32 - code.length(); i++) {
code = "0" + code;
}
return code;
}
public static String commonsMd5(String src){
return DigestUtils.md5Hex(src);
}
/**
* jdk实现sha算法
* 也可以借助commons-codec包
*/
public static String sha(String src) throws Exception {
MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance("sha");
byte[] shaByte = sha.digest(src.getBytes("utf-8"));
StringBuffer code = new StringBuffer();
for (int i = 0; i < shaByte.length; i++) {
int val = ((int) shaByte[i]) & 0xff;
if (val < 16) {
code.append("0");
}
code.append(Integer.toHexString(val));
}
return code.toString();
}
public static String commonsSha(String src) throws Exception {
return DigestUtils.sha1Hex(src);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println(name);
System.out.println(md5(name));
System.out.println(commonsMd5(name));
System.out.println(sha(name));
System.out.println(commonsSha(name));
}
}
结果分析
d98c9e606978909dd8cbeda3409b38ba
d98c9e606978909dd8cbeda3409b38ba
a74474a705b01a8ed1bfae76f4b8c36518341959
a74474a705b01a8ed1bfae76f4b8c36518341959
- jdk与commons均生成了相同的散列值
- 多次运行，依然生成固定值
- commons-codec还有很多可用方法，如：sha256，sha512…
对称
概述
加密与解密用的都是同一个秘钥，性能比非对称加密高很多。
常见算法
常见的对称加密算法有 DES、3DES、AES
DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收费站等领域被广泛应用，以此来实现关键数据的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密传输，IC卡与POS间的双向认证、金融交易数据包的MAC校验等
3DES是DES加密算法的一种模式，是DES的一个更安全的变形。从DES向AES的过渡算法
AES，是下一代的加密算法标准，速度快，安全级别更高。
| 名称 | 秘钥名称 | 运行速度 | 安全性 | 资源消耗 |
|---|---|---|---|---|
| DES | 56位 | 较快 | 低 | 中 |
| 3DES | 112位或168位 | 慢 | 中 | 高 |
| AES | 128、192、256位 | 快 | 高 | 低 |
应用
常用于对效率要求较高的实时数据加密通信。
实现
以AES为例：
package com.ls.cloud.sys.alg.pwd;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import javax.crypto.BadPaddingException;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.io.IOException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.net.URLDecoder;
import java.net.URLEncoder;
import java.security.InvalidAlgorithmParameterException;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
public class AESUtil {
private static final String IV_STRING = "sdf4ddfsFD86Vdf2";
private static final String encoding = "UTF-8";
public static String encryptAES(String content, String key) throws Exception {
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key.getBytes(encoding), "AES");
byte[] initParam = IV_STRING.getBytes(encoding);
IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(initParam);
// 指定加密的算法、工作模式和填充方式
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec, ivParameterSpec);
byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(content.getBytes(encoding));
// 同样对加密后数据进行 base64 编码
String base64 = new Base64().encodeToString(encryptedBytes);
return URLEncoder.encode(base64, encoding);
}
public static String decryptAES(String content, String key)
throws InvalidKeyException, NoSuchAlgorithmException,
NoSuchPaddingException, InvalidAlgorithmParameterException,
IllegalBlockSizeException, BadPaddingException, IOException {
//URL解码
content = URLDecoder.decode(content, encoding);
// base64 解码
byte[] encryptedBytes = Base64.decodeBase64(content);
byte[] enCodeFormat = key.getBytes(encoding);
SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES");
byte[] initParam = IV_STRING.getBytes(encoding);
IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(initParam);
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, ivParameterSpec);
byte[] result = cipher.doFinal(encryptedBytes);
return new String(result, encoding);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
/*json.put("name", "张三");
json.put("cityCode", "100001");
json.put("cityName", "北京市");
json.put("mobileNo", "15651876590");*/
String content = "架构师训练营";
System.out.println("加密前：" + content);
String key = "djadiKJdj49dFJLd";
System.out.println("密钥：" + key);
String encrypt = encryptAES(content, key);
System.out.println("加密后：" + encrypt);
String decrypt = decryptAES(encrypt, key);
System.out.println("解密后：" + decrypt);
}
}
package com.ls.cloud.sys.alg.pwd;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.Key;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
public class AES {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//生成KEY
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
keyGenerator.init(128);
//key转换
Key key = new SecretKeySpec(keyGenerator.generateKey().getEncoded(), "AES");
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
System.out.println("明文："+src);
//加密
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
System.out.println("加密：" + Base64.encodeBase64String(result));
//解密
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
result = cipher.doFinal(result);
System.out.println("解密：" + new String(result));
}
}
结果分析
明文：测试
加密：RXx6Kq+XQJ8rUAaaqAvaFg==
解密：测试
- 加密成功，且解密后明文一致
非对称
概述
非对称即加密与解密不是同一把钥匙，而是分成公钥和私钥。私钥在个人手里，公钥公开。这一对钥匙一个用于加密，另一个用于解密。使用其中一个加密后，则原始明文只能用对应的另一个密钥解密，即使最初用于加密的密钥也不能用作解密。正是因为这种特性，所以称为非对称加密。
常见算法
RSA、ElGamal、背包算法、Rabin（RSA的特例）、迪菲－赫尔曼密钥交换协议中的公钥加密算法、椭圆曲线加密算法（英语：Elliptic Curve Cryptography, ECC）。使用最广泛的是RSA算法（发明者Rivest、Shmir和Adleman姓氏首字母缩写）
| 名称 | 成熟度 | 安全性 | 运算速度 | 资源消耗 |
|---|---|---|---|---|
| RSA | 高 | 高 | 中 | 中 |
| ECC | 高 | 高 | 慢 | 高 |
应用
最常见的，两点：https和数字签名。
严格意义上讲，https并非所有请求都使用非对称。基于性能考虑，https先使用非对称约定一个key，后期使用该key进行对称加密和数据传输
数字签名则是用于验证报文是否为服务器发出的，用于防伪和认证。过程如下：
签发：
- 服务器外发布公钥，私钥保密
- 服务器对消息M计算摘要（如MD5等公开算法），得到摘要D
- 服务器使用私钥对D进行签名，得到签名S
- 将M和S一起发给
客户验证： - 客户端对M使用同一摘要算法计算摘要，得到摘要D
- 使用服务器公钥对S进行解密，得到摘要D’
- 如果D和D’相同，那么证明M确实是服务器发出的
实现
package com.ls.cloud.sys.alg.pwd;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import javax.crypto.Cipher;
import java.security.*;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
public class RSAUtil {
static String privKey ;
static String publicKey;
public static void main(String[] args) throws Exception {
//生成公钥和私钥
genKeyPair();
//加密字符串
String message = "架构师训练营";
System.out.println("明文："+message);
System.out.println("随机公钥为:" + publicKey);
System.out.println("随机私钥为:" + privKey);
String messageEn = encrypt(message,publicKey);
System.out.println("公钥加密:" + messageEn);
String messageDe = decrypt(messageEn,privKey);
System.out.println("私钥解密:" + messageDe);
}
/**
* 随机生成密钥对
*/
public static void genKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException {
// KeyPairGenerator类用于生成公钥和私钥对，基于RSA算法生成对象
KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
// 初始化密钥对生成器，密钥大小为96-1024位
keyPairGen.initialize(1024,new SecureRandom());
// 生成一个密钥对，保存在keyPair中
KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
privKey = new String(Base64.encodeBase64((keyPair.getPrivate().getEncoded())));
publicKey = new String(Base64.encodeBase64(keyPair.getPublic().getEncoded()));
}
/**
* RSA公钥加密
*/
public static String encrypt( String str, String publicKey ) throws Exception{
//base64编码的公钥
byte[] decoded = Base64.decodeBase64(publicKey);
RSAPublicKey pubKey = (RSAPublicKey) KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(new X509EncodedKeySpec(decoded));
//RSA加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
String outStr = Base64.encodeBase64String(cipher.doFinal(str.getBytes("UTF-8")));
return outStr;
}
/**
* RSA私钥解密
*/
public static String decrypt(String str, String privateKey) throws Exception{
//64位解码加密后的字符串
byte[] inputByte = Base64.decodeBase64(str.getBytes("UTF-8"));
byte[] decoded = Base64.decodeBase64(privateKey);
RSAPrivateKey priKey = (RSAPrivateKey) KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(decoded));
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey);
return new String(cipher.doFinal(inputByte));
}
}
结果分析
明文：测试
随机公钥为:MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQCSywu7KTyiUj8gJQPI5MkCS+3wf8lij/TEh6I/ddTMawkWxLq6HWu/TRxvIQGkRbM/NeIsX+VzPqS/Mf3ir83csln6yQPFON13GQZX7JUhQd9g8NpUI2EC+lKCqgatzStQ1eNyP+Bk52rhjVvn0VU5yLcLBEBPu49WpkzLIbirmQIDAQAB
随机私钥为:MIICdQIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCAl8wggJbAgEAAoGBAJLLC7spPKJSPyAlA8jkyQJL7fB/yWKP9MSHoj911MxrCRbEuroda79NHG8hAaRFsz814ixf5XM+pL8x/eKvzdyyWfrJA8U43XcZBlfslSFB32Dw2lQjYQL6UoKqBq3NK1DV43I/4GTnauGNW+fRVTnItwsEQE+7j1amTMshuKuZAgMBAAECgYBNhgQdBOsrwonp/QJhr0nk95qin6oIboRS4lqybxVCG+kB6EXBEtabgirZGbJXQiQm5tsamk6ALX4uJ0Ww2S27acpon4isU8OybqWP/+PYTSoG/2ySu0i4BX9IS+2QmTJB8i9q+Wpn1tW1BfYjZUWTj19hG/LeU5FIBi6/9EeegQJBANMOSKmOrLNdlLL3FAZk/RqWK3rTirIgWb+B1IwhabpPKYV4boRU9VoXJAafcwMzPLFjp2TBqJuhYETpl7m2hWkCQQCyDXsX6Smecp76Iy/FHLHGJx4A4GuNaF7dIuatG4PqIOkKL4X+UyWEz0j1xWdEP2BLEnHDP+JYYAT0mgAanz6xAkBiF/V1uTZTd18xftzzy+RHgxxaTg/ckmSkObeMGcuGKFzoB/11y/btFGxOF7Xg+uNunx6iGdA/5VVVMiyuyEJhAkAYzJfgdLE/SGesH0qAAccg+kHLjXZtc6QC2OGYKsTszzimGohnK92F6fkXgi8n6kvXKPJ/Z153QKhwCSMKkjOBAkBuFKcsVpcDkCelMWcLz4lvDKgyT/Xb3s1cda9lnvugeI+NGQM4Bqwzv3XxUsV1msEWy7Acpyg7KkwjN5H2w5SX
公钥加密:JOvASbyJmINhFtnKg0nAvfHKY5y8tAedu/IdwqCDSh61PC+Humy9jDitHXyXL7tjATkgkm/wC7MvWJZBnf6QyjvENEQAHREwyLZ00zHcqlhRgxeYC9xdVMK6oBVT2HjLz2445e2ayvb4d2NKFB3uJp6LrnZTw0M5CfR7o4lpwiY=
私钥解密:测试