【加密算法】5 种常见的摘要、加密算法

素颜马尾好姑娘i 2023-10-13 06:29 85阅读 0赞

大家平时的工作中，可能也在很多地方用到了加密、解密，比如：

1.  用户的密码不能明文存储，要存储加密后的密文
2.  用户的银行卡号、身份证号之类的敏感数据，需要加密传输
3.  还有一些重要接口，比如支付，客户端要对请求生成一个签名，服务端要对签名进行验证
4.  ……

那么上面提到的这些能力，我们都可以利用哪些加密算法来实现呢？咱们接着往下看。

加密算法整体上可以分为：不可逆加密、可逆加密。可逆加密又可以分为：对称加密、非对称加密。  
![在这里插入图片描述][1fbc8de2e17b436ea5e0784cd1a43a28.png]

### 1.不可逆算法 ###

不可逆加密的算法的加密是不可逆的，密文无法被还原成原文。

散列算法，就是一种**不可逆算法**。散列算法中，明文通过散列算法生成散列值，散列值是长度固定的数据，和明文长度无关；常用于**数字签名、消息认证、密码存储**等场景；不需要密钥的，当然也有一些不可逆算法，需要密钥，例如 `HMAC` 算法。

散列算法的具体实现有很多种，常见的包括 `MD5`、`SHA1`、`SHA-224`、`SHA-256` 等等。

#### 1.1 MD5 ####

MD5，全称为 “Message-Digest Algorithm 5”，翻译过来叫“信息摘要算法”。它可以将任意长度的数据通过散列算法，生成一个固定长度的散列值。MD5算法的输出长度为 128 位，通常用 32 个 16 进制数表示

public class Md5Util {
        
    
        private static final String[] hexDigits = new String[]{
        "0", "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8", "9", "a", "b", "c", "d", "e", "f"};
    
        /**
         * 获取MD5加密结果
         *
         * @param plainText   要加密的原字符串
         * @param uppercase   是否转为大写字符串
         * @param bit         加密结果位数（16，32）,默认是32
         * @return 返回加密结果
         */
        public static String encrypt(String plainText, boolean uppercase, Integer bit) {
        
            byte[] btInput = plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
            MessageDigest messageDigest;
            try {
        
                //获得MD5摘要对象
                messageDigest = MessageDigest.getInstance("MD5");
                //使用指定的字节数组更新摘要信息
                messageDigest.update(btInput);
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        
                throw new RuntimeException("MD5签名过程中出现错误,算法异常");
            }
            byte[] digest = messageDigest.digest();
            //字节数组转成16进制字符串
            String result = byteArrayToHexString(digest);
            //如果获取的是16位加密结果的，则截取原加密结果（32位）中间的16位，也就是8-24位
            if (bit != null && bit == 16) {
        
                //截取下标从0开始
                result = result.substring(8, 24);
            }
            //结果的大小写处理
            return uppercase ? result.toUpperCase() : result;
        }
    
        /**
         * 字节数组转成16进制字符串
         *
         * @author zzc
         * @date 2023/6/28 17:29
         * @param bytes
         * @return java.lang.String
         */
        private static String byteArrayToHexString(byte[] bytes) {
        
            StringBuilder builder = new StringBuilder();
            for (byte b : bytes) {
        
                builder.append(byteToHexString(b));
            }
            return builder.toString();
        }
    
        /**
         * 字节转成16进制字符
         *
         * @author zzc
         * @date 2023/6/28 17:29
         * @param b
         * @return java.lang.String
         */
        private static String byteToHexString(byte b) {
        
            int n = b;
            if (n < 0) {
        
                n = 256 + n;
            }
            int d1 = n / 16;
            int d2 = n % 16;
            return hexDigits[d1] + hexDigits[d2];
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            String s = "zzc";
            System.out.println(encrypt(s, false, 32));
        }
    
    }

*  优点：算速度快、输出长度固定、应用广泛
 *  缺点：不安全。

MD5算法已经被攻破，而且 MD5 算法的输出长度有限，攻击者可以通过暴力破解或彩虹表攻击等方式，找到与原始数据相同的散列值，从而破解数据。虽然可以通过加盐，也就是对在原文里再加上一些不固定的字符串来缓解，但是完全可以用更安全的 SHA 系列算法替代

[MD5工具类（含16位、32位、加盐、无盐、大小写）][MD5_16_32]  
[MD5加密工具类][MD5]

#### 1.2 SHA-256 ####

SHA（Secure Hash Algorithm）系列算法是一组密码散列函数，用于将任意长度的数据映射为固定长度的散列值。SHA系列算法由美国国家安全局（NSA）于1993年设计，目前共有 `SHA-1`、`SHA-2`、`SHA-3` 三种版本。其中 `SHA-1` 系列存在缺陷，已经不再被推荐使用。

`SHA-2` 算法包括 `SHA-224、SHA-256、SHA-384 和 SHA-512` 四种散列函数，分别将任意长度的数据映射为 224 位、256 位、384 位和 512 位的散列值。

public class SHA256Util {
        
    
        public static String getSHA256String(String str) {
        
            MessageDigest messageDigest;
            String sha256Str = "";
            try {
        
                messageDigest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
                messageDigest.update(str.getBytes("UTF-8"));
                sha256Str = byte2Hex(messageDigest.digest());
            } catch (Exception e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
            return sha256Str;
        }
    
        /**
         * 将byte转为16进制
         *
         * @param bytes
         * @return
         */
        private static String byte2Hex(byte[] bytes) {
        
            StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
            String temp = null;
            for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
        
                temp = Integer.toHexString(bytes[i] & 0xFF);
                if (temp.length() == 1) {
        
                    stringBuffer.append("0");
                }
                stringBuffer.append(temp);
            }
            return stringBuffer.toString();
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            String data = "Hello World";
            String encryptedData = getSHA256String(data);
            System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);
        }
    
    }

SHA-2 算法之所以比 MD5 强，主要有两个原因：

1.  散列值长度更长：例如 SHA-256 算法的散列值长度为 256 位，而 MD5 算法的散列值长度为 128 位，这就提高了攻击者暴力破解或者彩虹表攻击的难度。
2.  更强的碰撞抗性：SHA 算法采用了更复杂的运算过程和更多的轮次，使得攻击者更难以通过预计算或巧合找到碰撞。  
    当然，SHA-2 也不是绝对安全的，散列算法都有被暴力破解或者彩虹表攻击的风险，所以，在实际的应用中，加盐还是必不可少的

### 2.可逆算法 ###

#### 2.1 对称加密 ####

**对称加密算法**：使用同一个密钥进行加密和解密。加密和解密过程使用的是相同的密钥，因此密钥的安全性至关重要。如果密钥泄露，攻击者可以轻易地破解加密数据。

常见的对称加密算法包括 `DES、3DES、AES` 等。其中，`AES` 算法是目前使用最广泛的对称加密算法之一，具有比较高的安全性和加密效率

##### 2.1.1 DES #####

DES（Data Encryption Standard）算法是一种对称加密算法，由IBM公司于1975年研发，是最早的一种广泛应用的对称加密算法之一。

DES 算法使用 56 位密钥对数据进行加密，加密过程中使用了置换、替换、异或等运算，具有较高的安全性

public class DES {
        
    
        private static final String DES_ALGORITHM = "DES";
    
        /**
         * DES加密
         *
         * @param data 待加密的数据
         * @param key  密钥，长度必须为8位
         * @return 加密后的数据，使用Base64编码
         */
        public static String encrypt(String data, String key) throws Exception {
        
            // 根据密钥生成密钥规范
            KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
            // 根据密钥规范生成密钥工厂
            SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(DES_ALGORITHM);
            // 根据密钥工厂和密钥规范生成密钥
            SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(keySpec);
    
            // 根据加密算法获取加密器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_ALGORITHM);
            // 初始化加密器，设置加密模式和密钥
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
            // 加密数据
            byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data.getBytes());
            // 对加密后的数据进行Base64编码
            return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);
        }
    
        /**
         * DES解密
         *
         * @param encryptedData 加密后的数据，使用Base64编码
         * @param key           密钥，长度必须为8位
         * @return 解密后的数据
         */
        public static String decrypt(String encryptedData, String key) throws Exception {
        
            // 根据密钥生成密钥规范
            KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
            // 根据密钥规范生成密钥工厂
            SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(DES_ALGORITHM);
            // 根据密钥工厂和密钥规范生成密钥
            SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(keySpec);
    
            // 对加密后的数据进行Base64解码
            byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
            // 根据加密算法获取解密器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_ALGORITHM);
            // 初始化解密器，设置解密模式和密钥
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
            // 解密数据
            byte[] decryptedData = cipher.doFinal(decodedData);
            // 将解密后的数据转换为字符串
            return new String(decryptedData);
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            String data = "Hello World";
            String key = "12345678";
    
            String encryptedData = encrypt(data, key);
            System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);
    
            String decryptedData = decrypt(encryptedData, key);
            System.out.println("解密后的数据：" + decryptedData);
        }
    }

DES 的算法速度较快，但是在安全性上面并不是最优选择，因为DES算法的密钥长度比较短，被暴力破解和差分攻击的风险比较高，一般推荐用一些更安全的对称加密算法，比如 `3DES、AES`

##### 2.1.2 AES #####

AES（Advanced Encryption Standard）即高级加密标准，是一种对称加密算法，被广泛应用于数据加密和保护领域。AES 算法使用的密钥长度为 128 位、192 位或 256 位，比 DES 算法的密钥长度更长，安全性更高

public class AES {
        
    
        private static final String AES_ALGORITHM = "AES";
        // AES加密模式为CBC，填充方式为PKCS5Padding
        private static final String AES_TRANSFORMATION = "AES/CBC/PKCS5Padding";
        // AES密钥为16位
        private static final String AES_KEY = "1234567890123456";
        // AES初始化向量为16位
        private static final String AES_IV = "abcdefghijklmnop";
    
        /**
         * AES加密
         *
         * @param data 待加密的数据
         * @return 加密后的数据，使用Base64编码
         */
        public static String encrypt(String data) throws Exception {
        
            // 将AES密钥转换为SecretKeySpec对象
            SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(AES_KEY.getBytes(), AES_ALGORITHM);
            // 将AES初始化向量转换为IvParameterSpec对象
            IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(AES_IV.getBytes());
            // 根据加密算法获取加密器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_TRANSFORMATION);
            // 初始化加密器，设置加密模式、密钥和初始化向量
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec, ivParameterSpec);
            // 加密数据
            byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            // 对加密后的数据使用Base64编码
            return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);
        }
    
        /**
         * AES解密
         *
         * @param encryptedData 加密后的数据，使用Base64编码
         * @return 解密后的数据
         */
        public static String decrypt(String encryptedData) throws Exception {
        
            // 将AES密钥转换为SecretKeySpec对象
            SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(AES_KEY.getBytes(), AES_ALGORITHM);
            // 将AES初始化向量转换为IvParameterSpec对象
            IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(AES_IV.getBytes());
            // 根据加密算法获取解密器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_TRANSFORMATION);
            // 初始化解密器，设置解密模式、密钥和初始化向量
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec, ivParameterSpec);
            // 对加密后的数据使用Base64解码
            byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
            // 解密数据
            byte[] decryptedData = cipher.doFinal(decodedData);
            // 返回解密后的数据
            return new String(decryptedData, StandardCharsets.UTF_8);
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            String data = "Hello World";
    
            String encryptedData = encrypt(data);
            System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);
    
            String decryptedData = decrypt(encryptedData);
            System.out.println("解密后的数据：" + decryptedData);
        }
    }

AES 算法采用的密钥长度更长，密钥空间更大，安全性更高，能够有效地抵抗暴力破解攻击。当然，因为密钥长度较长，需要的存储也更多。

对于对称加密算法而言，最大的痛点就在于密钥管理困难，相比而言，非对称加密就没有这个担忧

#### 2.2 非对称加密 ####

非对称加密算法需要两个密钥，这两个密钥互不相同，但是相互匹配，一个称为公钥，另一个称为私钥。使用其中的一个加密，则使用另一个进行解密。例如使用公钥加密，则需要使用私钥解密。

RSA 算法是是目前应用最广泛的非对称加密算法

public class RSA {
        
    
        private static final String RSA_ALGORITHM = "RSA";
    
        /**
         * 生成RSA密钥对
         *
         * @return RSA密钥对
         */
        public static KeyPair generateKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException {
        
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(RSA_ALGORITHM);
            keyPairGenerator.initialize(2048); // 密钥大小为2048位
            return keyPairGenerator.generateKeyPair();
        }
    
        /**
         * 使用公钥加密数据
         *
         * @param data      待加密的数据
         * @param publicKey 公钥
         * @return 加密后的数据
         */
        public static String encrypt(String data, PublicKey publicKey) throws Exception {
        
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
            byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);
        }
    
        /**
         * 使用私钥解密数据
         *
         * @param encryptedData 加密后的数据
         * @param privateKey    私钥
         * @return 解密后的数据
         */
        public static String decrypt(String encryptedData, PrivateKey privateKey) throws Exception {
        
            byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
            byte[] decryptedData = cipher.doFinal(decodedData);
            return new String(decryptedData, StandardCharsets.UTF_8);
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            KeyPair keyPair = generateKeyPair();
            PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
            PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
    
            String data = "Hello World";
    
            String encryptedData = encrypt(data, publicKey);
            System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);
    
            String decryptedData = decrypt(encryptedData, privateKey);
            System.out.println("解密后的数据：" + decryptedData);
        }
    
    }

*  优点：安全性高，公钥可以公开，私钥必须保密，保证了数据的安全性；可用于数字签名、密钥协商等多种应用场景。
 *  缺点：加密、解密速度较慢，密钥长度越长，加密、解密时间越长；密钥长度过短容易被暴力破解，密钥长度过长则会增加计算量和存储空间的开销

[1fbc8de2e17b436ea5e0784cd1a43a28.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/1fbc8de2e17b436ea5e0784cd1a43a28.png
[MD5_16_32]: https://blog.csdn.net/duoyu779553/article/details/116720451
[MD5]: https://blog.csdn.net/weixin_46421519/article/details/123498596