掘金 后端 ( ) • 2022-08-04 21:51

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Java实现常用的三种加密算法详解

信息摘要算法、对称加密算法以及非对称加密算法。本文将利用Java实现这几种常见的加密算法

前言

编程中常见的加密算法有以下几种,它们在不同场景中分别有应用。除信息摘要算法外,其它加密方式都会需要密钥。

密钥

密钥(key,又常称金钥)是指某个用来完成加密解密完整性验证等密码学应用的秘密信息。

密钥分类

  • 加解密中的密钥:对称加密中共享相同的密钥,非对称加密中分公钥私钥,公钥加密私钥解密。
  • 消息认证码和数字签名中的密钥:在消息认证码中,消息发送方和接收方使用共享密钥进行认证。在数字签名中,签名使用私钥,而验证使用公钥。
  • 会话密钥和主密钥:每次通信只使用一次的密钥称为会话密钥(session key)。相对于会话密钥,重复使用的密钥称为主密钥(master key)。

密钥和密码

密码一般是由用户生成,具有可读性,可以记忆和存储,常用于软件管理,而密钥是供实现加密算法的软件使用,不需要具备可读性(不过在编程中为了方便阅读都进行Base64)。我们也可以通过密码来生成密钥。

密钥管理

  • 生成密钥:可以用随机数生成密钥,也可以用口令生成密钥。
  • 配送密钥:可采用事先共享密钥、使用密钥分配中心、使用公钥密码、使用Diffie-Hellman密钥交换。
  • 更新密钥
  • 保存密钥
  • 作废密钥

密钥生成

jdk 中 jce (Java Cryptography Extension) 包含了加密相关的所有API

生成对称加密算法的密钥

public static SecretKey generateKey(int keySize) {
        KeyGenerator keyGenerator;
        try {
            keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
            keyGenerator.init(keySize);
            return keyGenerator.generateKey();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            // ignore
            return null;
        }
    }

生成对称非对称加密算法的密钥


/**
     * 生成非对称密钥对
     *
     * @param keySize 密钥大小
     * @param random  指定随机来源,默认使用 JCAUtil.getSecureRandom()
     * @return 非对称密钥对
     * @throws NoSuchAlgorithmException NoSuchAlgorithm
     */
    public static PPKeys genKeysRSA(int keySize, SecureRandom random) throws NoSuchAlgorithmException {
        KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        if (null != random) {
            generator.initialize(keySize, random);
        } else {
            generator.initialize(keySize);
        }
        KeyPair pair = generator.generateKeyPair();
        PPKeys keys = new PPKeys();
        PublicKey publicKey = pair.getPublic();
        PrivateKey privateKey = pair.getPrivate();
        keys.setPublicKey(Base64.getEncoder().encodeToString(publicKey.getEncoded()));
      keys.setPrivateKey(Base64.getEncoder().encodeToString(privateKey.getEncoded()));
        return keys;
    }

密钥协商Diffie-Hellman

密钥协商是一种协议,两方或多方在通过该协议建立相同的共享密钥,然后通讯内容进行对称加密传输,而不需要交换密钥。

大致过程:每一方生成一个公私钥对并将公钥分发给其它方,当都获得其他方的公钥副本后就可以离线计算共享密钥。

Java中提供了 KeyAgreement 可以实现密钥协商。

  • Alice 和 Bob 分别用他们的私钥初始化自己的密钥协商对象 KeyAgreement ,调用init() 方法;
  • 然后将通信的每一方的公钥 传入执行 doPhase(Key key, boolean lastPhase) ;
  • 各方生成共享密钥 generateSecret()
public static void diffieHellman() throws Exception {
        AlgorithmParameterGenerator dhParams = AlgorithmParameterGenerator.getInstance("DH");
        dhParams.init(1024);
        KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
        keyGen.initialize(dhParams.generateParameters().getParameterSpec(DHParameterSpec.class), new SecureRandom());

        KeyAgreement aliceKeyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
        KeyPair alicePair = keyGen.generateKeyPair();
        KeyAgreement bobKeyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
        KeyPair bobPair = keyGen.generateKeyPair();

        aliceKeyAgree.init(alicePair.getPrivate());
        bobKeyAgree.init(bobPair.getPrivate());

        aliceKeyAgree.doPhase(bobPair.getPublic(), true);
        bobKeyAgree.doPhase(alicePair.getPublic(), true);

       boolean agree = Base64.getEncoder().encodeToString(aliceKeyAgree.generateSecret()).equals(
          Base64.getEncoder().encodeToString(bobKeyAgree.generateSecret())
        );
        System.out.println(agree);
    }

信息摘要算法

信息摘要算法又叫加密散列算法,加密过程不需要密钥,常见的加密散列算法有MD系列SHA系列

一个理想的加密散列函数应该具备以下特性:

  • 任何信息传入后,输出的总是长度固定;
  • 消息摘要看起来是“随机的”,这样根据原始信息就很难推测出值;
  • 好的散列函数碰撞概率应该极低,也就是不同信息传入后得到相同值的概率;

MD系列

MD5信息摘要算法(MD5 Message-Digest Algorithm),一种被广泛使用的加密散列函数,输出出一个128位(16字节)的散列值(hash value),MD5最初设计为加密散列函数,而目前发现它存在大量漏洞,所以不建议直接用作加密,不过在非加密场景下如:数据完整性校验,文件完整性校验它仍然有广泛的应用。

public static String md5(String content) {
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("MD5");
            byte[] bytes = digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            return Hex.encodeHexString(bytes);
        } catch (final NoSuchAlgorithmException e) {
            throw new IllegalArgumentException(e);
        }
    }

SHA系列

安全散列算法(Secure Hash Algorithm,缩写为SHA)是一个加密散列函数家族,是FIPS(美国联邦信息处理标准)所认证的安全散列算法。能计算出一个数字消息所对应到的,长度固定的字符串(又称消息摘要)的算法。且若输入的消息不同,它们对应到不同字符串的机率很高。

它们分别包含 SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3,其中 SHA-0、SHA-1 输出长度是160位,SHA-2 包含 SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256,我们平时常用 SHA-256 。

public static String sha256(String content) {
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256);
            byte[] bytes = digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            return Hex.encodeHexString(bytes);
        } catch (final NoSuchAlgorithmException e) {
            throw new IllegalArgumentException(e);
        }
    }

对称加密算法

对称加密算法,双方持有相同密钥进行加解密,常见的对称加密算法:DES 3DES AES128 AES192 AES256。理解对称加密需要先明白下面几个概念:

  • 分组密码模式:将明文切割进行加密,再将密文拼接到一起。比如AES中会将明文数据切割为大小16字节的数据块,最后一块不够16字节时,使用Padding模式进行补充。
  • 填充(Padding) :它有三种模式PKCS5、PKCS7和NOPADDING,PKCS5用缺少的字节数来填充,比如缺少5个字节就填充5个数字5,PKCS7缺少的字节数用0来填充。如果数据刚好是16的整数倍,PKCS5和PKCS7会再补充一个16字节数据来区分填充和有效数据,NOPADDING模式不需要填充。
  • 初始化向量:初始向量IV的作用是使加密更加安全可靠,在分组密码模式下IV大小对应数据块长度。
  • 加密模式:四种加密模式分别是:ECB(电子密码本模式)、CBC(密码分组链接模式)、CFB、OFB。ECB模式是仅仅使用明文和密钥来加密数据,所以该模式下不需要Padding,安全性也较弱,CBC模式数据分块并且使用传入IV依次进行异或操作,安全性也相对较高,所以目前一般都选择CBC模式。
  • 加密密钥:不同加密算法密钥长度不同,比如:DES 默认长度56位,3DES默认长度168位,也支持128位,AES默认128位,也支持192位,256位。我们一般根据密码生成密钥,密码长度需要满足算法密钥长度。