Java中哈希算法总结
哈希算法（Hash Function）
哈希算法(Hash)又称摘要算法(Disgest)，它的作用是:对任意一组输入数据进行计算，得到一个固定长度(16位)的输出摘要。
将任意长度的二进制值映射为固定长度的二进制值串，这个映射的规则就是哈希算法，而通过原始数据映射之后得到的二进制值串就是哈希值。
哈希算法的主要特点就是：
- 相同的输入一定得到相同的输出
- 不同的输入大概率得到不同的输出
所以，哈希算法的目的是为了验证原始数据是否被篡改。
哈希碰撞
哈希碰撞是指两个不同的输入得到了相同的输出，例如：
哈希碰撞是不可避免的，因为输出的字节长度是固定的，String的hashcode()输出时4字节整数，最多只有4294967296种输出，但输入的数据长度时不固定的，有无数种输入。所以，哈希算法是把一个无线的输入集合映射到一个有限的输出集合，必然会产生碰撞。一个安全的哈希算法必须满足：
- 碰撞概率低；
- 不能猜出输出
不能猜出输出是指输入的任意一个bit的变化会造成输出完全不同，这样就很难从输出反推输 入 (只能依靠暴力穷举)。
常用哈希算法
| 算法 | 输出长度(位) | 输出长度(字节) |
| MD5 | 128 bits | 16 bytes |
| SHA-1 | 160 bits | 20 bytes |
| RipeMD-60 | 160 bits | 20 bytes |
| SHA-256 | 256 bits | 32 bytes |
| SHA-512 | 512 bits | 64 bytes |
MD5加密算法
MD5即Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法5），用于确保信息传输完整一致。是计算机广泛使用的杂凑算法之一（又译摘要算法、哈希算法），主流编程语言普遍已有MD5实现。
MD5的作用是让大容量信息在用数字签名软件签署私人密钥前被"压缩"成一种保密的格式（就是把一个任意长度的字节串变换成一定长的16进制数字串）。
package com.apesource.demo02;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.Arrays;
//MD5加密
public class Demo01 {
public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
//创建基于MD5算法的消息摘要对象
MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
//更新原始数据
md5.update("天王盖地虎".getBytes());
//获取加密后的结果
byte[] disgetsBytes = md5.digest();
System.out.println("加密后的结果"+Arrays.toString(disgetsBytes));
System.out.println("加密结果长度"+disgetsBytes.length);
}
}
运行上述代码可以得出"天王盖地虎"的MD5加密后的结果[-54, 22, 32, 101, 73, -60, 77, 99, 77, -78, -48, -124, -125, 46, 113, 10]，加密结果长度16
按照MD5算法对图片进行"加密"
package com.apesource.demo02;
import java.io.IOException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.Arrays;
import com.apesource.demo.HashTools;
//按照MD5算法对图片进行"加密"
public class Demo02 {
public static void main(String[] args) throws IOException, NoSuchAlgorithmException {
//图片的原始字节内容
byte[] imageBuf = Files.readAllBytes(Paths.get("C:\\Users\\Pictures\\xxx.jpg"));
//创建基于MD5算法的消息摘要对象
MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
//原始字节内容(图片)
md5.update(imageBuf);
//获取加密摘要
byte[] digestBytes = md5.digest();
System.out.println("加密后的结果(字节数组)："+Arrays.toString(digestBytes));
System.out.println("加密后的结果(16进制字符串)："+HashTools.bytesTohex(digestBytes));
System.out.println("加密结果长度"+digestBytes.length);
}
}
SHA-1算法
SHA-1 也是一种哈希算法，它的输出是 160 bits，即 20 字节。 SHA-1 是由美国国家安全局开发的，SHA 算法实际上是一个系列，包括 SHA- 0(已废弃)、SHA-1 、SHA-256、SHA-512 等。
在 Java 中使用 SHA-1 ，和 MD5 完全一样，只需要把算法名称改为"SHA-1"
package com.apesource.demo02;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
public class Demo03 {
public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException, UnsupportedEncodingException {
//创建一个MessageDigest实例
MessageDigest sha1 = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
//调用update输入数据:
sha1.update("Hello".getBytes("UTF-8"));
//f7ff9e8b7bb2e09b70935a5d785e0cc5d9d0abf0
byte[] results = sha1.digest();
StringBuilder ret = new StringBuilder();
for(byte b : results) {
//将字节数组转换为两位十六进制字符串
ret.append(String.format("%02x", b));
}
System.out.println(ret.toString());
}
}
Hash算法(消息摘要算法)工具类
package com.apesource.demo02;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
//Hash算法(消息摘要算法)工具类
public class HashTools {
//消息摘要对象
private static MessageDigest digest;
//构造方法
private HashTools() {}
//按照MD5进行消息摘要计算(哈希算法)
public static String digestByMD5(String source) throws NoSuchAlgorithmException{
digest = MessageDigest.getInstance("MD5");
return handler(source);
}
//按照SHA-1进行消息摘要计算(哈希算法)
public static String digestBySHA1(String source) throws NoSuchAlgorithmException{
digest = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
return handler(source);
}
//通过消息摘要对象,处理加密内容
public static String handler(String source) {
digest.update(source.getBytes());
byte[] bytes = digest.digest();
String hash = bytesToHex(bytes);
return hash;
}
//将字节数组转换为16进制字符串
public static String bytesToHex(byte[] bytes) {
StringBuilder ret = new StringBuilder();
for(byte b : bytes) {
//将字节数组转换为两位十六进制字符串
ret.append(String.format("%02x", b));
}
return ret.toString();
}
}
使用哈希口令时，还要注意防止彩虹表攻击。
通过随机加盐,解决彩虹表攻击问题
什么是彩虹表呢？上面讲到了，如果只拿到 MD5 ，从 MD5反推明文口令，只能使用暴力穷举的方法。然而黑客并不笨，暴力穷举会消耗大量的算力和时间。但是，如果有一个预先计算好的常用口令和它们的 MD5 的对照表，这个表就是彩虹表。如果用户使用了常用口令，黑客从 MD5 一下就能反查到原始口令。当然，我们也可以采取特殊措施来抵御彩虹表攻击：对每个口令额外添加随机数，这个方法称之为加盐(salt)。这个salt可以看作是一个额外的"认证码"，同样的 输入，不同的认证码，会产生不同的输出。因此要验证输出的哈希，必须同时提供"认证码"，代码实现如下
package com.apesource.demo02;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.UUID;
import org.omg.PortableInterceptor.DISCARDING;
import com.apesource.demo.HashTools;
//通过随机加盐,解决彩虹表攻击问题
public class Demo04 {
public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
//原始密码
String password = "wbjxxmy";
//属于即产生的盐值
String salt = UUID.randomUUID().toString().substring(0,4);
//创建基于SHA-1算法的消息摘要对象
MessageDigest sha1 = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
sha1.update(password.getBytes()); //原始密码
sha1.update(salt.getBytes()); //盐值
//计算加密结果,SHA-1的输出结果为20个字节(40个字符)
String digestHex = HashTools.bytesTohex(sha1.digest());
System.out.println(digestHex);
}
}
通过自定义工具类,完成对应加密处理
package com.apesource.demo02;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
//通过自定义工具类,完成对应加密处理
public class Demo05 {
public static void main(String[] args) {
try {
//md5加密
String md5 = HashTools.digestByMD5("wbjxxmy");
//sha1加密
String sha1 = HashTools.digestBySHA1("wbjxxmy");
System.out.println("md5="+md5);
System.out.println("sha1="+sha1);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
Hmac算法
Hmac 算法就是一种基于密钥的消息认证码算法，它的全称是 Hash-based Message Authentication Code ，是种更安全的消息摘要算法。
Hmac 算法总是和某种哈希算法配合起来用的。例如，我们使用 MD5 算法，对应的就是 Hmac MD5 算法，它相当于“加盐”的 MD5 :HmacMD5 ≈ md5(secure_random_key， input)
因此，HmacMD5 可以看带有一个安全的 key 的 MD使用 HmacMD5 而不是用 MD5 加 salt ，有如下好处：
- HmacMD5使用的是key长度是64字节，更安全
- Hmac是标准算法，同样适用与SHA-1等其他哈希算法
- Hmac输出和原有的哈希算法长度一致
可见，Hmac 本质上就是把 key 混入摘要的算法。验证此哈希时，除了原始的输入数据，还要提供 key 。为了保证安全，我们不会自己指定 key ，而是通过 Java 标准库的 KeyGenerator 生成一个安全的随机的 key 。
下面是使用 HmacMD5 的参考代码:
package com.apesource.demo02;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.Arrays;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.SecretKey;
//Hmac算法
public class Demo06 {
public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
String password = "wbjxxmy";
//一:产生秘钥
//获取HmacMD5秘钥生成器
KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("HmacMD5");
//生成秘钥
SecretKey key = keyGen.generateKey();
System.out.println("秘钥："+Arrays.toString(key.getEncoded()));
System.out.println("秘钥长度(64字节):"+key.getEncoded().length);
System.out.println("秘钥："+HashTools.bytesToHex(key.getEncoded()));
//二:使用秘钥,进行加密
//获取HMac加密算法对象
Mac mac = Mac.getInstance("HMacMD5");
mac.init(key); //初始化秘钥
mac.update(password.getBytes()); //更新原始加密内容
byte[] bytes = mac.doFinal(); //加密处理,并获取加密结果
String result = HashTools.bytesToHex(bytes); //加密结果处理成16进制字符串
System.out.println("加密结果16进制字符串:"+result);
System.out.println("加密结果(字节长度16字节):"+bytes.length);
System.out.println("加密结果(字符长度32字符):"+result.length());
}
}
注：相同的秘钥产生的结果不同
和 MD5 相比，使用 HmacMD5 的步骤是:
- 通过名称 HmacMD5 获取 KeyGenerator 实例
- 通过 KeyGenerator 创建一个 secretKey 实例
- 通过名称 HmacMD5 获取 Mac 实例
- 用 secretKey 初始化Mac实例
- 对 Mac 实例反复调用 update(byte[]) 输入数据
- 调用 Mac 实例的 dofinal() 获取最终的哈希值
按照"字节数组" "字符串",恢复Hmac秘钥
package com.apesource.demo02;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
//按照"字节数组" "字符串",恢复Hmac秘钥
public class Demo07 {
public static void main(String[] args) {
//原始密码
// String password = "wbjxxmy";
// //秘钥(字节数组)
// byte[] keybytes = {-97, 63, -18, -128, -127, 25, -55, -12, 76, 79, -66, -41, -17, -74, -109, -21, 125, -101, -72, 61, -43, -116, 87, -63, -42, 87, -78, 16, -16, -10, 105, 127, -57, 21, 117, -115, -39, 17, 116, -99, 121, -43, -22, 61, -74, 21, -12, 121, 24, 94, -80, -2, -100, 110, -125, 101, -7, 14, -16, -9, -47, 117, 90, -59};
//
//秘钥(字符串)
String keystr = "2990f480743ea992a358e76c169f8bc7d415d38d0e10541282a393e456dfc13dc3e8ed17f62ba06f36aeaed1d7ebaa67f7edbc743dd883a5954d361e841ba1cc";
// //用于保存秘钥:秘钥长度为64字节
byte[] keybytes = new byte[64];
for(int i = 0,k = 0;iBouncyCastle
BouncyCastle就是一个提供了很多哈希算法和加密算法的第三方开源库。它提供了 Java 标准库没有的一些算法，例如，RipeMD169 哈希算法.
RIPEMD160是一种基于Merkle-Damgard 结构的加密哈希函数，它是比特币标准之一。RIPEMD-160是RIPEMD算法的增强版本RIPEMD-160算法可以产生出160位的的哈希摘要。
首先我们要先在project中导入bcprov-jdk15on-1.70.jar
，其次，Java标准库的java.security包提供了一种标准机制，允许第三方提供给上无缝接入。我们要使用BouncyCastle注册一下，实现代码如下：
package com.apesource.demo02;
import java.math.BigInteger;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.Security;
import java.util.Arrays;
import javax.crypto.SecretKey;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
//第三方开源库提供的RipeMD160消息摘要算法实现
public class Demo08 {
public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
//注册BouncyCastleProvider通知类
//将提供的消息摘要算法注册至Security
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
//获取RipeMD160算法的"消息摘要对象"(加密对象)
MessageDigest ripeMd160 = MessageDigest.getInstance("RipeMD160");
//更新原始数据
ripeMd160.update("wbjxxmy".getBytes());
//获取消息摘要(加密)
byte[] result = ripeMd160.digest();
//消息摘要的字节长度和内容
System.out.println("加密结果(字节长度)"+result.length); //160位 = 20字节
System.out.println("加密结果(字节内容)"+Arrays.toString(result));
//十六进制字符串
String hex = new BigInteger(1,result).toString(16);
System.out.println("加密结果(字符串长度)"+hex.length()); //20字节=40个字符
System.out.println("加密结果(字符串内容)"+hex);
}
}
小结
- 哈希算法可用于验证数据完整性，具有防篡改检测的功能
- 常用的哈希算法有 MD5、SHA-1 等
- 用哈希存储口令时要考虑彩虹表攻击
- Hmac 算法是一种标准的基于密钥的哈希算法，可以配合 MD5 、 SHA-1 等哈希算法，计算的摘要长度和原摘要算法长度相同
- BouncyCastle 是一个开源的第三方算法提供商
- BouncyCastle 提供了很多 Java 标准库没有提供的哈希算法和加密算法