各種加密算法剖析與總結(jié)

目前比較常用的加密算法總結(jié)起來就是單向加密和雙向加密了，其實(shí)很簡單，理解也不難。但是小羽覺得還是很有必要對其原理進(jìn)行清晰的認(rèn)知的，這樣在我們的開發(fā)中才會(huì)得心應(yīng)手。畢竟對于我們研發(fā)來說，數(shù)據(jù)安全是第一位，加密算法對維護(hù)軟件的數(shù)據(jù)安全起著舉足輕重的作用。來跟著小羽看看這些算法都用在了哪些方面，怎么用的，代碼具體如何實(shí)現(xiàn)的。慢慢讀完，你會(huì)對這些小密碼有更深入的了解。

其實(shí)早在古希臘時(shí)期，人類發(fā)明了置換密碼。到1881年世界上的第一個(gè)電話保密專利出現(xiàn)。二戰(zhàn)期間，德國軍方啟用“恩尼格瑪”密碼機(jī)，密碼學(xué)在戰(zhàn)爭中起著非常重要的作用。

在1997年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局公布實(shí)施了“美國數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）”，民間力量開始全面介入密碼學(xué)的研究和應(yīng)用中，采用的加密算法有 DES、RSA、SHA 等。隨著對加密強(qiáng)度需求的不斷提高，近期又出現(xiàn)了AES、ECC等。

好了，歷史講完了，該進(jìn)入正文了，先來看看使用加密算法對我們有啥好處。

使用密碼學(xué)可以達(dá)到以下目的：

保密性：防止用戶的標(biāo)識或數(shù)據(jù)被讀取。

數(shù)據(jù)完整性：防止數(shù)據(jù)被更改。

身份驗(yàn)證：確保數(shù)據(jù)發(fā)自特定的一方。

MD5

MD5 -- message-digest algorithm 5 （信息-摘要算法）縮寫，廣泛用于加密和解密技術(shù)，常用于文件校驗(yàn)。不管文件多大，經(jīng)過MD5后都能生成唯一的 MD5 值。好比現(xiàn)在的 ISO 校驗(yàn)，都是 MD5 校驗(yàn)，把 ISO 經(jīng)過 MD5 后產(chǎn)生 MD5 的值。一般下載 linux-ISO 的朋友都見過下載鏈接旁邊放著 MD5 的串。就是用來驗(yàn)證文件是否一致的。

加密工具類如下：

/**?
?*?MD5加密?
?*??
?*?@param?data?
?*?@return?
?*?@throws?Exception?
?*/??
public?static?byte[]?encryptMD5(byte[]?data)?throws?Exception?{??
??
????MessageDigest?md5?=?MessageDigest.getInstance(KEY_MD5);??
????md5.update(data);??
??
????return?md5.digest();??
??
}??

SHA

SHA(Secure Hash Algorithm，安全散列算法），數(shù)字簽名等密碼學(xué)應(yīng)用中重要的工具，被廣泛地應(yīng)用于電子商務(wù)等信息安全領(lǐng)域。雖然， SHA 與 MD5 通過碰撞法都被破解了，但是 SHA 仍然是公認(rèn)的安全加密算法，較之MD5更為安全。

加密工具類如下：

/**?
*?SHA加密?
*??
*?@param?data?
*?@return?
*?@throws?Exception?
*/??
public?static?byte[]?encryptSHA(byte[]?data)?throws?Exception?{??
??
????MessageDigest?sha?=?MessageDigest.getInstance(KEY_SHA);??
????sha.update(data);??
??
????return?sha.digest();??
??
????}??
}??

HMAC

HMAC(Hash Message Authentication Code ，散列消息鑒別碼，基于密鑰的 Hash 算法的認(rèn)證協(xié)議。消息鑒別碼實(shí)現(xiàn)鑒別的原理是，用公開函數(shù)和密鑰產(chǎn)生一個(gè)固定長度的值作為認(rèn)證標(biāo)識，用這個(gè)標(biāo)識鑒別消息的完整性。使用一個(gè)密鑰生成一個(gè)固定大小的小數(shù)據(jù)塊，即 MAC ，并將其加入到消息中，然后傳輸。接收方利用與發(fā)送方共享的密鑰進(jìn)行鑒別認(rèn)證等。

加密工具類如下：

?/**?
?*?初始化HMAC密鑰?
?*??
?*?@return?
?*?@throws?Exception?
?*/??
public?static?String?initMacKey()?throws?Exception?{??
????KeyGenerator?keyGenerator?=?KeyGenerator.getInstance(KEY_MAC);??
??
????SecretKey?secretKey?=?keyGenerator.generateKey();??
????return?encryptBASE64(secretKey.getEncoded());??
}??
??
/**?
?*?HMAC加密?
?*??
?*?@param?data?
?*?@param?key?
?*?@return?
?*?@throws?Exception?
?*/??
public?static?byte[]?encryptHMAC(byte[]?data,?String?key)?throws?Exception?{??
??
????SecretKey?secretKey?=?new?SecretKeySpec(decryptBASE64(key),?KEY_MAC);??
????Mac?mac?=?Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());??
????mac.init(secretKey);??
??
????return?mac.doFinal(data);??
??
}??

對稱加密算法是應(yīng)用較早的加密算法，技術(shù)成熟。在對稱加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)信方將明文（原始數(shù)據(jù)）和加密密鑰一起經(jīng)過特殊加密算法處理后，使其變成復(fù)雜的加密密文發(fā)送出去。在對稱加密算法中，使用的密鑰只有一個(gè)，發(fā)收信雙方都使用這個(gè)密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，這就要求解密方事先必須知道加密密鑰。對稱加密算法的特點(diǎn)是8算法公開、計(jì)算量小、加密速度快、加密效率高。不足之處是，交易雙方都使用同樣鑰匙，安全性得不到保證*。對稱加密算法在分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上使用較為困難，主要是因?yàn)槊荑€管理困難，使用成本較高。

數(shù)據(jù)加密過程：在對稱加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)送方將明文(原始數(shù)據(jù))和加密密鑰一起經(jīng)過特殊加密處理，生成復(fù)雜的加密密文進(jìn)行發(fā)送。

數(shù)據(jù)解密過程：數(shù)據(jù)接收方收到密文后，若想讀取原數(shù)據(jù)，則需要使用加密使用的密鑰及相同算法的逆算法對加密的密文進(jìn)行解密，才能使其恢復(fù)成可讀明文。

常用算法：DES、3DES、AES、TDEA、Blowfish、RC2、RC4、RC5、IDEA、Skipjack 等。下面主要介紹常用的 DES、3DES、AES 加密算法。

DES加密算法

DES 加密算法是一種分組密碼，以 64 位為分組對數(shù)據(jù)加密，它的密鑰長度是 56 位，加密解密用同一算法。DES 加密算法是對密鑰進(jìn)行保密，而公開算法，包括加密和解密算法。這樣，只有掌握了和發(fā)送方相同密鑰的人才能解讀由DES加密算法加密的密文數(shù)據(jù)。因此，破譯 DES 加密算法實(shí)際上就是搜索密鑰的編碼。對于 56 位長度的密鑰來說，如果用窮舉法來進(jìn)行搜索的話，其運(yùn)算次數(shù)為 256 。

隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的不斷發(fā)展， DES 的安全性比它剛出現(xiàn)時(shí)會(huì)弱得多，然而從非關(guān)鍵性質(zhì)的實(shí)際出發(fā)，仍可以認(rèn)為它是足夠的。不過， DES 現(xiàn)在僅用于舊系統(tǒng)的鑒定，而更多地選擇新的加密標(biāo)準(zhǔn)。

加密工具類如下：

?/**
??*?加密
??*
??*?@param?datasource?待加密數(shù)據(jù)
??*?@param?key
??*?@return?byte數(shù)組
??*/
??public?static?byte[]?enCrypto(byte[]?datasource,?String?key)?throws?InvalidKeyException,?NoSuchAlgorithmException,?InvalidKeySpecException,?NoSuchPaddingException,?BadPaddingException,?IllegalBlockSizeException?{

????SecureRandom?random?=?new?SecureRandom();
????DESKeySpec?desKey?=?new?DESKeySpec(key.getBytes());
????//?創(chuàng)建一個(gè)密匙工廠，然后用它把DESKeySpec轉(zhuǎn)換成
????SecretKeyFactory?keyFactory?=?SecretKeyFactory.getInstance("DES");
????SecretKey?securekey?=?keyFactory.generateSecret(desKey);
????//?Cipher對象實(shí)際完成加密操作
????Cipher?cipher?=?Cipher.getInstance("DES");
????//?用密匙初始化Cipher對象
????cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,?securekey,?random);
????//?現(xiàn)在，獲取數(shù)據(jù)并加密
????//?正式執(zhí)行加密操作
????return?cipher.doFinal(datasource);

????}

3DES加密算法

DES 是三重?cái)?shù)據(jù)加密算法塊密碼的通稱。它相當(dāng)于是對每個(gè)數(shù)據(jù)塊應(yīng)用三次 DES 加密算法。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的增強(qiáng)，原版DES密碼的密鑰長度變得容易被暴力破解；3DES即是設(shè)計(jì)用來提供一種相對簡單的方法，即通過增加 DES 的密鑰長度來避免類似的攻擊，而不是設(shè)計(jì)一種全新的塊密碼算法。

3DES 是 DES 向 AES 過渡的加密算法，加密算法，其具體實(shí)現(xiàn)如下：設(shè) Ek() 和 Dk() 代表 DES 算法的加密和解密過程， K 代表 DES 算法使用的密鑰， M 代表明文， C 代表密文。加密過程為：C=Ek3(Dk2(Ek1(M)))

加密工具類如下：

AES加密算法

AES 加密算法是密碼學(xué)中的高級加密標(biāo)準(zhǔn)，該加密算法采用對稱分組密碼體制，密鑰長度的最少支持為 128、192 、 256 ，分組長度 128 位，算法應(yīng)易于各種硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。這種加密算法是美國聯(lián)邦政府采用的區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用來替代原先的 DES ，已經(jīng)被多方分析且廣為全世界所使用。

AES 加密算法被設(shè)計(jì)為支持 128／192／256位（/32=nb)數(shù)據(jù)塊大?。捶纸M長度）；支持 128／192／256位（/32=nk) 密碼長度，，在 10 進(jìn)制里，對應(yīng) 34×1038、62×1057、1.1×1077 個(gè)密鑰。

加密工具類如下：

/**
??*?AES加密
??*?@param?data?要加密的字符串
??*?@param?key??加密key
??*?@param?iv???密碼加密算法中的IV
??*?@return?加密后的字符串
??*/
??public?static?String?encrypt(String?data,?String?key,?String?iv)?{
????try?{
?
????Cipher?cipher?=?Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding");
????int?blockSize?=?cipher.getBlockSize();
????byte[]?dataBytes?=?data.getBytes();
????int?plaintextLength?=?dataBytes.length;
????if?(plaintextLength?%?blockSize?!=?0)?{
????????plaintextLength?=?plaintextLength?+?(blockSize?-?(plaintextLength?%?blockSize));
????????}
??????????byte[]?plaintext?=?new?byte[plaintextLength];
??????????System.arraycopy(dataBytes,?0,?plaintext,?0,?dataBytes.length);
??????????SecretKeySpec?keyspec?=?new?SecretKeySpec(key.getBytes(),?Constant.STRING_AES);
??????????IvParameterSpec?ivspec?=?new?IvParameterSpec(iv.getBytes(Constant.STRING_UTF_8));
??????????cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,?keyspec,?ivspec);
??????????byte[]?encrypted?=?cipher.doFinal(plaintext);
??????????String?encrypt?=?Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted);?//BASE64加密
??????????encrypt?=?encrypt.replaceAll(new?String(Constant.STRING_CARRIAGE_RETURN),?Constant.STRING_BLANK);
??????????encrypt?=?encrypt.replaceAll(new?String(Constant.STRING_LINE_FEED),?Constant.STRING_BLANK);
??????????return?encrypt;
????????}?catch?(Exception?e)?{
??????????e.printStackTrace();
??????????return?null;
????????}
????}

不對稱加密算法使用兩把完全不同但又是完全匹配的一對鑰匙—公鑰和私鑰。在使用不對稱加密算法加密文件時(shí)，只有使用匹配的一對公鑰和私鑰，才能完成對明文的加密和解密過程。采用不對稱加密算法，收發(fā)信雙方在通信之前，收信方必須將自己早已隨機(jī)生成的公鑰送給發(fā)信方，而自己保留私鑰。由于不對稱算法擁有兩個(gè)密鑰，因而特別適用于分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)加密。廣泛應(yīng)用的不對稱加密算法有 RSA 算法和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局提出的 DSA 。以不對稱加密算法為基礎(chǔ)的加密技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。

工作流程：

1、乙方生成一對密鑰（公鑰和私鑰）并將公鑰向其它方公開。

2、得到該公鑰的甲方使用該密鑰對機(jī)密信息進(jìn)行加密后再發(fā)送給乙方。

3、乙方再用自己保存的另一把專用密鑰（私鑰）對加密后的信息進(jìn)行解密。乙方只能用其專用密鑰（私鑰）解密由對應(yīng)的公鑰加密后的信息。

在傳輸過程中，即使攻擊者截獲了傳輸?shù)拿芪?，并得到了乙的公鑰，也無法破解密文，因?yàn)?strong style="font-size: inherit;line-height: inherit;color: rgb(41, 98, 255);">只有乙的私鑰才能解密密文。

同樣，如果乙要回復(fù)加密信息給甲，那么需要甲先公布甲的公鑰給乙用于加密，甲自己保存甲的私鑰用于解密。

RSA加密算法

RSA 加密算法是目前最有影響力的公鑰加密算法，并且被普遍認(rèn)為是目前最優(yōu)秀的公鑰方案之一。RSA 是第一個(gè)能同時(shí)用于加密和數(shù)宇簽名的算法，它能夠抵抗到目前為止已知的所有密碼攻擊，已被 ISO 推薦為公鑰數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。RSA 加密算法基于一個(gè)十分簡單的數(shù)論事實(shí)：將兩個(gè)大素?cái)?shù)相乘十分容易，但那時(shí)想要，但那時(shí)想要對其乘積進(jìn)行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密密鑰。

加密工具類如下：

/**
??*?RSA公鑰加密
??*
??*?@param?str?加密字符串
??*?@param?publicKey?公鑰
??*?@return?密文
??*?@throws?Exception?加密過程中的異常信息
??*/
??public?static?String?encrypt(?String?str,?String?publicKey?)?throws?Exception{
????//base64編碼的公鑰
????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;
????}

DSA加密算法

DSA 是基于整數(shù)有限域離散對數(shù)難題的，其安全性與 RSA 相比差不多。DSA 的一個(gè)重要特點(diǎn)是兩個(gè)素?cái)?shù)公開，這樣，當(dāng)使用別人的 p 和 q 時(shí)，即使不知道私鑰，你也能確認(rèn)它們是否是隨機(jī)產(chǎn)生的，還是作了手腳。RSA算法卻做不到。DSA 只是一種算法，和 RSA 不同之處在于它不能用作加密和解密，也不能進(jìn)行密鑰交換，只用于簽名,它比RSA要快很多.

加密流程如下：

ECC加密算法

橢圓加密算法（ECC）是一種公鑰加密體制，最初由 Koblitz 和 Miller 兩人于 1985 年提出，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是利用橢圓曲線上的有理點(diǎn)構(gòu)成 Abel 加法群上橢圓離散對數(shù)的計(jì)算困難性。公鑰密碼體制根據(jù)其所依據(jù)的難題一般分為三類：大整數(shù)分解問題類、離散對數(shù)問題類、橢圓曲線類。有時(shí)也把橢圓曲線類歸為離散對數(shù)類。橢圓曲線密碼體制是目前已知的公鑰體制中，對每比特所提供加密強(qiáng)度最高的一種體制。解橢圓曲線上的離散對數(shù)問題的最好算法是 Pollard rho 方法，其時(shí)間復(fù)雜度為，是完全指數(shù)階的。

加密工具類如下：

/**
?*?加密
?*?@param?data
?*?@param?publicKey
?*?@return
?*?@throws?Exception
?*/
public?static?byte[]?encrypt(byte[]?data,?String?publicKey)
????throws?Exception?{
????byte[]?keyBytes?=?BASE64Decoder.decodeBuffer(publicKey);
?
????X509EncodedKeySpec?x509KeySpec?=?new?X509EncodedKeySpec(keyBytes);
????KeyFactory?keyFactory?=?KeyFactory.getInstance(ECCEnum.ALGORITHM.value());
?
????ECPublicKey?pubKey?=?(ECPublicKey)?keyFactory
????????????????.generatePublic(x509KeySpec);
?
????Cipher?cipher?=?new?NullCipher();
????cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,?pubKey);
????return?cipher.doFinal(data);
}

總結(jié)

對稱加密和非對稱加密比較

其它方面的比較：

在管理方面：公鑰密碼算法只需要較少的資源就可以實(shí)現(xiàn)目的，在密鑰的分配上，兩者之間相差一個(gè)指數(shù)級別（一個(gè)是n一個(gè)是n2）。所以公鑰密碼算法不適應(yīng)廣域網(wǎng)的使用，而且更重要的一點(diǎn)是它不支持?jǐn)?shù)字簽名。

在安全方面：由于公鑰密碼算法基于未解決的數(shù)學(xué)難題，在破解上幾乎不可能。對于私鑰密碼算法，到了AES雖說從理論來說是不可能破解的，但從計(jì)算機(jī)的發(fā)展角度來看。公鑰更具有優(yōu)越性。

資料自提