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

<dependency> 
  <groupId>commons‐codec</groupId> 
  <artifactId>commons‐codec</artifactId>  
  <version>1.14</version>
</dependency>

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

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• 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: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
公钥加密:JOvASbyJmINhFtnKg0nAvfHKY5y8tAedu/IdwqCDSh61PC+Humy9jDitHXyXL7tjATkgkm/wC7MvWJZBnf6QyjvENEQAHREwyLZ00zHcqlhRgxeYC9xdVMK6oBVT2HjLz2445e2ayvb4d2NKFB3uJp6LrnZTw0M5CfR7o4lpwiY=
私钥解密:测试