JAVA 常用的加密算法之单向加密MD5和SHA

小灰灰 2022-06-16 14:28 236阅读 0赞

# 1、Java的安全体系架构 #

## 1.1 Java的安全体系架构介绍 ##

Java中为安全框架提供类和接口。JDK 安全 API 是 Java 编程语言的核心 API，位于 **java.security** 包（及其子包），以及**sun.securityAPI**包（及其子包）中。设计用于帮助开发人员在程序中同时使用低级和高级安全功能。

JDK 1.1 中第一次发布的 JDK 安全中引入了“**Java 加密体系结构**”(JCA)，指的是用于访问和开发 Java 平台密码功能的构架。在 JDK 1.1 中，JCA 包括用于**数字签名**和**报文摘要**的 API。  
JDK 1.2 大大扩展了 Java 加密体系结构，它还对**证书管理基础结构**进行了升级以支持 X.509 v3 证书，并为划分细致、可配置性强、功能灵活、可扩展的访问控制引入了新的 Java 安全体系结构。

Java 加密体系结构包含 JDK 1.2 安全 API 中与密码有关的部分，以及本文档中提供的一组约定和规范。为实现多重、可互操作的密码，它还提供了“提供者”体系结构。

Java 密码扩展 （JCE)）扩展了 JCA API，包括用于加密、密钥交换和信息认证码（MAC）的 API。JCE 和 JDK 密码共同提供了一个与平台无关的完整密码 API。JCE 作为 JDK 的扩展将独立发布，以符合美国的出口控制约束。

## 1.2 JDK中MD5和SHA加密的主要类 ##

在JDK6.0中，与MD5与SHA密切相关的几个类的类图如下：

![这里写图片描述][o_E5_B8_B8_E7_94_A8_E5_8A_A0_E5_AF_86_E7_AE_97_E6_B3_95_E7_9A_84Java_E5_AE_9E_E7_8E_B0_EF_BC_88_E4_B8_80_EF_BC_89_3.jpg]

其中“MessageDigestSpi”为顶层抽象类，同一个包下的“MessageDigest”和“DigestBase”为子抽象类。

在上面的类图中，使用了**Delegate（委托）设计模式**。

这种模式的原理为类B（在此处为Delegage内部类）和类A（在此处为MessageDigestSpi类）是两个互相没有什么关系的类，B具有和A一模一样的方法和属性；并且调用B中的方法和属性就是调用A中同名的方法和属性。B好像就是一个受A授权委托的中介。第三方的代码不需要知道A及其子类的存在，也不需要和A及其子类发生直接的联系，通过B就可以直接使用A的功能，这样既能够使用到A的各种功能，又能够很好的将A及其子类保护起来了。

MD5和SHA的相关代码都在MD5和SHA等类中，但是面向客户的MessageDigest抽象类不需要跟各个实现类打交道，只要通过委托类与其打交道即可。

# 2、MD5加密 #

## 2.1 概述 ##

Message Digest Algorithm MD5（中文名为消息摘要算法第五版）为计算机安全领域广泛使用的一种散列函数，用以提供消息的完整性保护。该算法的文件号为RFC 1321（R.Rivest,MIT Laboratory for Computer Science and RSA Data Security Inc. April 1992）.

MD5的全称是Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法），在90年代初由MIT Laboratory for Computer Science和RSA Data Security Inc的Ronald L. Rivest开发出来，经MD2、MD3和MD4发展而来。

MD5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。

**将数据（如汉字）运算为另一固定长度值**，是杂凑算法的基础原理，MD5的前身有MD2、MD3和MD4。

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十六进制数字串）。

## 2.2 算法原理 ##

对MD5算法简要的叙述可以为：MD5以**512**位分组来处理输入的信息，且每一分组又被划分为**16个32位子分组**，经过了一系列的处理后，算法的输出由**四个32位**分组组成，将这四个32位分组**级联**后将生成一个**128位散列值。**

在MD5算法中，首先需要对信息进行**填充**，使其位长对**512求余**的结果等于**448**。因此，信息的位长（Bits Length）将被扩展至`N*512+448`，N为一个非负整数，N可以是零。

填充的方法如下:

*  1.在信息的后面填充**一个1**和**无数个0**，直到满足上面的条件时才停止用0对信息的填充。
 *  2.然后，在这个结果后面附加一个以**64位二进制**表示的填充前**信息长度**。

经过这两步的处理，信息的位长=N\*512+448+64=(N+1）\*512，即长度恰好是512的整数倍。这样做的原因是为满足后面处理中对信息长度的要求。

## 2.3 Java中的MD5实现 ##

package encrypt.md5;
    
    import java.security.MessageDigest;
    import java.security.NoSuchAlgorithmException;
    
    /** * MD5Util * Created by heqianqian on 2017/5/17. */
    public class MD5Util { 
    
        /** * MD5加密 * 生成32位md5码 * * @param inStr 待加密字符串 * @return 2位md5码 */
        public static String md5Encode(String inStr) throws Exception {
            MessageDigest md5 = null;
            try {
                md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
                e.printStackTrace();
                return "";
            }
            byte[] byteArray = inStr.getBytes("UTF-8");
            byte[] md5Bytes = md5.digest(byteArray);
            StringBuffer hexValue = new StringBuffer();
            for (int i = 0; i < md5Bytes.length; i++) {
                int val = ((int) md5Bytes[i]) & 0xff;
                if (val < 16) {
                    hexValue.append("0");
                }
                hexValue.append(Integer.toHexString(val));
            }
            return hexValue.toString();
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            String s = "ahhasdasd";
            System.out.println("Before:"+s);
            System.out.println("After:"+MD5Util.md5Encode(s));
        }
    }

测试结果：

Before:ahhasdasd
    After:f6060a6c081e6b620e73adfc85d37182

MD算法具有以下特点：  
\- 压缩性：任意长度的数据，算出的MD值长度都是固定的。  
\- 容易计算：从原数据计算出MD值很容易。  
\- 抗修改性：对原数据进行任何改动，哪怕只修改个字节，所得到的MD值都有很大区别。  
\- 弱抗碰撞：已知原数据和其MD值，想找到一个具有相同MD值的数据（即伪造数据）是非常困难的。  
\- 强抗碰撞：想找到两个不同的数据，使它们具有相同的MD值，是非常困难的。

MD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十六进制数字串）。除了MD以外，其中比较有名的还有sha-、RIPEMD以及Haval等。

# 3、SHA加密 #

## 3.1 概述 ##

SHA是一种数据加密算法，该算法经过加密专家多年来的发展和改进已日益完善，现在已成为公认的最安全的**散列**算法之一，并被广泛使用。该算法的思想是**接收一段明文**，然后以一种不可逆的方式将它转换成一段（通常更小）密文，也可以简单的理解为取一串输入码（称为预映射或信息），并把它们转化为**长度较短**、**位数固定**的输出序列即**散列值**（也称为信息摘要或信息认证代码）的过程。散列函数值可以说是对明文的一种“指纹”或是“摘要”所以对散列值的数字签名就可以视为对此明文的数字签名。

安全散列算法SHA（Secure Hash Algorithm，SHA)是美国国家标准技术研究所发布的国家标准FIPS PUB 180，最新的标准已经于2008年更新到FIPS PUB 180-3。其中规定了SHA-1，SHA-224，SHA-256，SHA-384，和SHA-512这几种单向散列算法。SHA-1，SHA-224和SHA-256适用于长度不超过**2^64**二进制位的消息。SHA-384和SHA-512适用于长度不超过**2^128**二进制位的消息。

## 3.2 原理 ##

SHA-1是一种数据加密算法，该算法的思想是接收一段明文，然后以一种不可逆的方式将它转换成一段（通常更小）密文，也可以简单的理解为取一串输入码（称为预映射或信息），并把它们转化为长度较短、位数固定的输出序列即散列值（也称为信息摘要或信息认证代码）的过程。

**单向散列函数**的安全性在于其产生散列值的操作过程具有较强的**单向性**。如果在输入序列中嵌入密码，那么任何人在不知道密码的情况下都不能产生正确的散列值，从而保证了其安全性。SHA将输入流按照每块**512位**（64个字节）进行分块，并产生**20个*\****字节\*的被称为信息认证代码或信息摘要的输出。

该算法**输入报文的长度不限**，产生的输出是一个**160位**的报文摘要。输入是按**512 位**的分组进行处理的。SHA-1是不可逆的、防冲突，并具有良好的雪崩效应。

通过散列算法可实现数字签名实现，数字签名的原理是将要传送的明文通过一种函数运算（Hash）转换成报文摘要（不同的明文对应不同的报文摘要），报文摘要加密后与明文一起传送给接受方，接受方将接受的明文产生新的报文摘要与发送方的发来报文摘要解密比较，比较结果一致表示明文未被改动，如果不一致表示明文已被篡改。

MAC （信息认证代码）就是一个散列结果，其中部分输入信息是密码，只有知道这个密码的参与者才能再次计算和验证MAC码的合法性。

## 3.3 Java中的SHA实现 ##

package encrypt.sha;
    
    import java.security.MessageDigest;
    import java.security.NoSuchAlgorithmException;
    
    /** * SHAUtil * Created by heqianqian on 2017/5/17. */
    public class SHAUtil { 
    
        public static String shaEncode(String inStr) throws Exception {
            MessageDigest sha = null;
            try {
                sha = MessageDigest.getInstance("SHA");
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
                e.printStackTrace();
                return "";
            }
            byte[] byteArray = inStr.getBytes("UTF-8");
            byte[] md5Bytes = sha.digest(byteArray);
            StringBuffer hexValue = new StringBuffer();
            for (int i = 0; i < md5Bytes.length; i++) {
                int val = ((int) md5Bytes[i]) & 0xff;
                if (val < 16) {
                    hexValue.append("0");
                }
                hexValue.append(Integer.toHexString(val));
            }
            return hexValue.toString();
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            String str = new String("heqian");
            System.out.println("Before：" + str);
            System.out.println("After：" + shaEncode(str));
        }
    }

测试结果：  
Before：heqian  
After：acc3a85f726578e72aa15fe54351aed2495edbc1

# 3、SHA-1和MD5的比较 #

因为二者均由MD4导出，SHA-1和MD5彼此很相似。相应的，他们的强度和其他特性也是相似，但还有以下几点不同：

1）对强行攻击的安全性：最显著和最重要的区别是SHA-1摘要比MD5摘要**长32 位**。使用强行技术，产生任何一个报文使其摘要等于给定报摘要的难度对MD5是**2^128数量级**的操作，而对SHA-1则是**2^160数量级**的操作。这样，SHA-1对强行攻击有更大的强度。

2）对密码分析的安全性：由于MD5的设计，易受密码分析的攻击，SHA-1显得不易受这样的攻击。

3）速度：在相同的硬件上，**SHA-1的运行速度比MD5慢**。

## 4、BASE加密 ##

Base是网络上最常见的用于传输Bit字节代码的**编码方式**之一，大家可以查看RFC～RFC，上面有MIME的详细规范。

Base编码可用于在HTTP环境下传递较长的标识信息。例如，在Java Persistence系统Hibernate中，就采用了Base来将一个较长的唯一标识符（一般为-bit的UUID）编码为一个字符串，用作HTTP表单和HTTP GET URL中的参数。在其他应用程序中，也常常需要把二进制数据编码为适合放在URL（包括隐藏表单域）中的形式。此时，采用Base编码具有不可读性，即所编码的数据不会被人用肉眼所直接看到。

严格地说，属于编码格式，而非加密算法

实现：

package encrypt.base;
    
    import sun.misc.BASE64Decoder;
    import sun.misc.BASE64Encoder;
    
    import java.io.IOException;
    
    /** * BaseUtil * Created by heqianqian on 2017/5/17. */
    public class BaseUtil { 
        /** * BASE解密 */
        public static byte[] decryptBASE(String inStr) throws IOException {
            return new BASE64Decoder().decodeBuffer(inStr);
        }
    
        /** * BASE加密 */
        public static String encryptBASE(byte[] key){
            return new BASE64Encoder().encodeBuffer(key);
        }
    
        /** * 测试方法 */
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            String s = "heqian";
            String encryptBASE = BaseUtil.encryptBASE(s.getBytes());
            System.out.println("加密后："+encryptBASE);
            String decryptBASE = new String(BaseUtil.decryptBASE(encryptBASE));
            System.out.println("解密后："+decryptBASE);
        }
    }

输出结果：

加密后：aGVxaWFu
    解密后：heqian

# 5、HMAC加密 #

HMAC(**Hash Message Authentication Code**，**散列消息鉴别码**，基于**密钥**的**Hash**算法的认证协议。消息鉴别码实现鉴别的原理是，用**公开函数**和**密钥**产生一个**固定长度**的值作为**认证标识**，用这个标识鉴别消息的完整性。使用**一个密钥生成一个固定大小的小数据块**，即MAC，并将其**加入到消息**中，然后**传输**。接收方利用与发送方**共享的密钥**进行鉴别认证等。

实现：

package encrypt.hmac;
    
    import sun.misc.BASE64Decoder;
    import sun.misc.BASE64Encoder;
    
    import javax.crypto.KeyGenerator;
    import javax.crypto.Mac;
    import javax.crypto.SecretKey;
    import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
    
    /** * HMACExample * Created by heqianqian on 2017/5/17. */
    public class HMACExample { 
    
        public static final String KEY_MAC = "HmacMD5";
    
        /** * 初始化HMAX密钥 */
        public static String initMacKey() throws Exception {
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KEY_MAC);
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            return new BASE64Encoder().encode(secretKey.getEncoded());
        }
    
        /** * HMAC加密 */
        public static String encryptHMAC(byte[] data, String key) throws Exception {
            SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(new BASE64Decoder().decodeBuffer(key), KEY_MAC);
            Mac mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
            mac.init(secretKey);
            return new String(mac.doFinal(data));
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            String sendStr = "heqianqian";
            String key = HMACExample.initMacKey();
            System.out.println(HMACExample.encryptHMAC(sendStr.getBytes(), key));
            System.out.println(HMACExample.encryptHMAC(sendStr.getBytes(), key));
        }
    
    
    }

--------------------

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