常用的安全算法－数字摘要、对称加密、非对称加密详解
本文仅介绍摘要算法、对称加密算法、非对称加密算法的使用场景和使用方法。
1.数字摘要
说明：数字摘要是将任意长度的消息变成固定长度的短消息，它类似于一个自变量是消息的函数，也就是Hash函数。数字摘要就是采用单向Hash函数将需要加密的明文“摘要”成一串固定长度（128位）的密文这一串密文又称为数字指纹，它有固定的长度，而且不同的明文摘要成密文，其结果总是不同的，而同样的明文其摘要必定一致。
1.1 MD5
MD5 即 Message Digest Algorithm5 (信息摘要算法5),一种数字摘要的实现，摘要长度为128位，由MD4,MD3,MD2改进而来，主要增强了算法复杂度和不可逆性。
基于Java 的MD5算法使用：
public static String md5(String content) throws Exception{
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
byte[] bytes =md.digest(content.getBytes("utf-8"));
String md5Str = new BigInteger(1,bytes).toString(16);//16进制编码后
return md5Str;
}
1.2 SHA
SHA 全称是Secure Hash Algorithm（安全散列算法）,1995年又发布了一个修订版FIPS PUB 180-1 通常称之为SHA-1，是基于MD4算法。是现在公认的最安全的散列算法之一，被广泛使用。
比较MD5: SHA-1算法生成的摘要信息长度为160位，由于摘要信息更长，运算过程更加复杂，相同的硬件上，SHA-1比 MD5更慢，但是更为安全。
基于Java 的SHA算法使用：
public static String sha(String content) throws Exception{
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
byte[] bytes =md.digest(content.getBytes("utf-8"));
String shaStr = new BigInteger(1, bytes).toString(16);//16进制编码后
return shaStr;
}
1.3 十六进制编码
附加：计算机的计算采用的是二进制的数据表示方法，而十六进制也是数据的一种表示方法，并且可以与二进制进行相互转化，每4位二进制数据对应一位十六进制数据。
同我们日常使用的十进制表示法不同的是，十六进制由0~9 和A~F来进行表示，与十进制对应关系是0~9 对应0~9， A~F对应 10~15。
基于Java 的十六进制编码：
public static String bytes2hex(byte[] bytes){
StringBuilder hex = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
byte b = bytes[i];
boolean negative = false;// 是否为负数
if (b < 0) negative = true;
int inte = Math.abs(b);
if(negative) inte = inte | 0x80;
//负数会转成正数（最高位的负号变成数值计算），再转16进制
String temp = Integer.toHexString(inte & 0xFF);
if(temp.length() == 1){
hex.append("0");
}
hex.append(temp.toLowerCase());
}
return hex.toString();
}
1.4 Base64 编码
Base64是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的方法，由于2的6次方是64，所以每6位为一个单元，对应某个可打印字符，三个字节有24位，对应4个Base64单元，即3个字节需要用4个可打印字符来表示。
附加：多数人认为 Base64是一种加密算法，并且用做加密算法。而实际情况却并非这样，因为任何人只要得到Base64编码内容，便可通过固定的方法，逆向得出编码之前的信息，Base64算法仅仅只是一种编码算法而已。
基于Java 的Base64编码，需引入commons-codec-***.jar
public static String byte2base64(byte[] bytes){
Base64 base = new Base64();
return base.encodeAsString(bytes);
}
public static byte[] base642byte(String base64){
Base64 base = new Base64();
return base.decode(base64);
}
1.5 彩虹表破解Hash算法
彩虹表（Rainbow Table）法是一种破解哈希算法的技术，从原理上来说能够对任何一种Hash算法进行攻击。简单说，彩虹表就是一张采用各种Hash算法生成的明文和密文的对照表。
本文不做赘述，详细内容可参考：http://www.aiezu.com/system/windows/rainbow-table_knowledge.html
1.6 运行示例
public static void main(String[] args) throws Exception {
String content = "hello,world!";
System.out.println("原文："+content);
System.out.println("MD5:"+md5(content));
System.out.println("SHA:"+sha(content));
}
输出
原文：hello,world! MD5:c0e84e870874dd37ed0d164c7986f03a SHA:4518135c05e0706c0a34168996517bb3f28d94b5
2.对称加密算法
2.1 DES算法
DES算法属于对称加密算法，明文按64位进行分组，密钥长64位，事实上只有56位参与DES运算（第8,16,24,32,40,48,56,64位是校验位，使得每个密钥都有奇数个1)，分组后的明文和56位的密钥按位替代或交换的方法形成密文。
3DES： 是DES向AES过渡的加密算法，使用3条56位的密钥对数据进行3次加密。
基于Java的DES 算法的使用
/**
* 生成DES 密钥
*/
public static SecretKey loadKeyDES() throws Exception{
KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("DES");
keyGen.init(56);
SecretKey key = keyGen.generateKey();
String base64Key = byte2base64(key.getEncoded());
byte[] bytes = base642byte(base64Key);
key = new SecretKeySpec(bytes,"DES");
return key;
}
//DES加密
public static byte[] encryptDES(byte[] source,SecretKey key) throws Exception{
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
// 用密匙初始化Cipher对象
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
// 现在，获取数据并加密
byte[] bytes = cipher.doFinal(source);
return bytes;
}
//DES解密
public static byte[] decryptDES(byte[] source,SecretKey key) throws Exception{
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
// 用密匙初始化Cipher对象
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
// 真正开始解密操作
byte[] bytes = cipher.doFinal(source);
return bytes;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
String context = "Hello,World!";
// 密钥
SecretKey key = loadKeyDES();
byte[] encryptBytes = encryptDES(context.getBytes(),key);
System.out.println("加密后:"+new String(encryptBytes));
byte[] decryptBytes = decryptDES(encryptBytes,key);
System.out.println("解密后:"+new String(decryptBytes));
}
运行结果如下：
加密后:���9�iP�ﱹp 解密后:Hello,World!
2.2 AES算法
AES算法 全称是Advanced Encryption Standard，即高级加密标准，又称为Rijndael加密算法，是美国联邦政府采用的一种对称加密标准，这个标准用来替代原先的DES算法，目前已成为对称加密算法中最流行的算法之一。
比较DES算法，AES算法作为新一代的数据加密标准，汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点，设计有三个密钥长度（128，192，256位），比DES算法加密强度更高，更加安全。
基于Java的AES算法
/**
* 生成AES 密钥
*/
public static SecretKey loadKeyAES() throws Exception{
KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
keyGen.init(128);//DES为56
SecretKey key = keyGen.generateKey();
String base64Key = byte2base64(key.getEncoded());
byte[] bytes = base642byte(base64Key);
key = new SecretKeySpec(bytes,"AES");
return key;
}
//AES加密
public static byte[] encryptAES(byte[] source,SecretKey key) throws Exception{
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
// 用密匙初始化Cipher对象
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
// 现在，获取数据并加密
byte[] bytes = cipher.doFinal(source);
return bytes;
}
//AES解密
public static byte[] decryptAES(byte[] source,SecretKey key) throws Exception{
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
// 用密匙初始化Cipher对象
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
// 真正开始解密操作
byte[] bytes = cipher.doFinal(source);
return bytes;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
String context = "Hello,World!";
SecretKey key = loadKeyAES();
byte[] encryptBytes = encryptAES(context.getBytes(),key);
System.out.println("加密后:"+new String(encryptBytes));
byte[] decryptBytes = decryptAES(encryptBytes,key);
System.out.println("解密后:"+new String(decryptBytes));
}
运行结果如下
加密后:T�l�X���2�zEO� 解密后:Hello,World!
3.非对称加密算法＋数字签名
非对称加密算法：又称为公开密钥加密算法，需要两个密钥，一个为公开密钥(PublicKey）即公钥，一个为私有密钥（PrivateKey)即私钥。两者需要配对使用。用其中一者加密，则必须用另一者解密。
3.1 RSA 算法 与 数字签名
RSA 是目前最有影响力的非对称加密算法，能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。
RSA 算法是基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数想乘十分容易，但反过来想要对其乘积进行因式分解却极其困难。
常见的数字签名有两种：
1.MD5withRSA ：采用MD5 算法生成需要发送正文的数字摘要，并且使用RSA算法来对摘要进行加密和解密。
2.SHA1withRSA: 采用SHA-1算法生成正文的数字摘要，并且使用RSA算法来对摘要进行加密和解密。
两者算法的流程完全一致，只是签名算法换成了对应的算法。这里只对MD5withRSA做出代码示例。
基于Java的RSA算法使用
private static final String RSA = "RSA";
private static final String MD5 = "MD5";
private static final String SHA1 = "SHA1";
private static final String MD5withRSA = "MD5withRSA";
private static final String SHA1withRSA = "SHA1withRSA";
public static String byte2base64(byte[] bytes){
Base64 base = new Base64();
return base.encodeAsString(bytes);
}
public static byte[] base642byte(String base64){
Base64 base = new Base64();
return base.decode(base64);
}
//初始化KeyPairGenerator ，生成KeyPair
public static KeyPair getKeyPair() throws Exception{
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(RSA);
keyPairGenerator.initialize(512);
KeyPair keypair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
return keypair;
}
//获取公钥
public static String getPublicKey(KeyPair keyPair){
PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
byte[] bytes = publicKey.getEncoded();
return byte2base64(bytes);
}
//获取私钥
public static String getPrivateKey(KeyPair keyPair){
PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
byte[] bytes = privateKey.getEncoded();
return byte2base64(bytes);
}
//MD5withRSA 签名，可将MD5 替换成 SHA1 数字签名
public static byte[] sign4MD5(byte[] content,PrivateKey privateKey) throws Exception{
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance(MD5);
byte[] bytes = md.digest(content);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
byte[] encryptBytes = cipher.doFinal(bytes);
return encryptBytes;
}
//MD5withRSA 验证签名，可将MD5 替换成 SHA1 数字签名
public static boolean verify4MD5(byte[] content,byte[] sign, PublicKey publicKey) throws Exception{
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance(MD5);
byte[] bytes = md.digest(content);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);
byte[] decrypeBytes = cipher.doFinal(sign);
return byte2base64(decrypeBytes).equals(byte2base64(bytes));
}
//基于JAVA的Signature API的使用 将MD5withRSA 替换成 SHA1withRSA 数字签名
public static byte[] sign4Signature(byte[] content,PrivateKey privateKey) throws Exception{
Signature signature = Signature.getInstance(MD5withRSA);
signature.initSign(privateKey);;
signature.update(content);
return signature.sign();
}
public static boolean verify4Signature(byte[] content,byte[] sign, PublicKey publicKey) throws Exception{
Signature signature = Signature.getInstance(MD5withRSA);
signature.initVerify(publicKey);
signature.update(content);
return signature.verify(sign);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
KeyPair keyPair = getKeyPair();
System.out.println("privateKey:"+getPrivateKey(keyPair));
System.out.println("publicKey:"+getPublicKey(keyPair));
String content = "hello,World";
byte[] signMd5 = sign4MD5(content.getBytes(), keyPair.getPrivate());
System.out.println("signMd5:"+new String(signMd5));
System.out.println("verifyMd5:"+verify4MD5(content.getBytes(), signMd5, keyPair.getPublic()));
byte[] signSignature = sign4Signature(content.getBytes(), keyPair.getPrivate());
System.out.println("sign4Signature:"+new String(signSignature));
System.out.println("verify4Signature:"+verify4Signature(content.getBytes(), signSignature, keyPair.getPublic()));
}
运行结果如下
privateKey:MIIBVQIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCAT8wggE7AgEAAkEAiD/p5rsULwF3CNQNnh0Y3rUd5v7JSTWwt6RpIP6uoucwa1nI9pMU7IUF+PPgrMY3l6KJmfUdLSLx23/1286QYQIDAQABAkAk91pJvJY0TqxyG756GKDnw7ISOyx3jXadzKCtUAwnrDYXK3kyPpYW4Hnovw0bDF2GhFDs1l3DHk4dAfeFDXJxAiEA0FAesbxDSKaRePdlOTloMN6dm9cw3VJRK765TRVP8IUCIQCncKDGNA1OVSWZZicCaXSBuKlej+krjCavtJ/HWur1LQIhALPtsEV2xmsXLKnejnkaA8vKTTpRaeyQ8HmneGiDUxP9AiBTMzbgZfr6onqlZ8oYe7glwVF/qHjPZ7vNcS43zCiWHQIhAK0u7LLh2lzQNZ7eFGyHpsBQae5gfJMxzVY0/AyLvmtb
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signMd5:f��ߜ��L>^�\���o��@���:E�±�X��z���p�d��+����{�?�hg�|Jk
verifyMd5:true
sign4Signature:��oa̠��eH>:4����W]����?@���?zh���j�4�˰�L��i �h,
verify4Signature:true