Java中五种最常见加密算法

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2023-10-13 21:48 30阅读 0赞

## 1 前言 ##

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：

*  用户的密码不能明文存储，要存储加密后的密文
 *  用户的银行卡号、身份证号之类的敏感数据，需要加密传输
 *  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
 *  ……

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。

## 2 常见加密算法 ##

算法整体上可以分为不可逆加密，以及可逆加密，可逆加密又可以分为对称加密和非对称加密。

### 2.1 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。

![在这里插入图片描述][2d64d3d512de4f1b8b78fa868e3f7f30.jpeg]  
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。

散列算法常用于数字签名、消息认证、密码存储等场景。

散列算法是不需要密钥的，当然也有一些不可逆算法，需要密钥，例如HMAC算法。

#### 2.1.1 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。

我们来看下MD5算法的Java代码实现：

public class MD5 {
        
        private static final String MD5_ALGORITHM = "MD5";
        public static String encrypt(String data) throws Exception {
        
            // 获取MD5算法实例
            MessageDigest messageDigest = MessageDigest.getInstance(MD5_ALGORITHM);
            // 计算散列值
            byte[] digest = messageDigest.digest(data.getBytes());
            Formatter formatter = new Formatter();
            // 补齐前导0，并格式化
            for (byte b : digest) {
        
                formatter.format("%02x", b);
            }
            return formatter.toString();
        }
    
        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);
        }
    }

MD5有一些优点，比如计算速度快、输出长度固定、应用广泛等等。

但是作为一个加密算法，它有一个天大的缺点，那就是不安全。

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。

#### 2.1.2 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。

我们来看一下最常用的SHA-256的Java代码实现：

public class SHA256 {
        
        private static final String SHA_256_ALGORITHM = "SHA-256";
        public static String encrypt(String data) throws Exception {
        
            //获取SHA-256算法实例
            MessageDigest messageDigest = MessageDigest.getInstance(SHA_256_ALGORITHM);
            //计算散列值
            byte[] digest = messageDigest.digest(data.getBytes());
            StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
            //将byte数组转换为15进制字符串
            for (byte b : digest) {
        
                stringBuilder.append(Integer.toHexString((b & 0xFF) | 0x100), 1, 3);
            }
            return stringBuilder.toString();
        }
    
        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);
        }
    }

SHA-2算法之所以比MD5强，主要有两个原因：

*  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。  
    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。

### 2.2 对称加密算法 ###

对称加密算法，使用同一个密钥进行加密和解密。

![在这里插入图片描述][d22b2c505e7b4d68956fd4469904b4ce.jpeg]  
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。

### 2.2.1 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。

我们来看下DES算法的Java代码实现：

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。

#### 2.2.2 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。

我们来看下AES算法的Java代码实现：

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。

### 2.3 非对称加密算法 ###

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。  
![在这里插入图片描述][5bee2f0b78e04583ada5270883fc0e51.jpeg]

#### 2.3.1 RSA ####

RSA算法是是目前应用最广泛的非对称加密算法，由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman三人在1978年发明，名字来源三人的姓氏首字母。

我们看下RSA算法的Java实现：

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);
        }
    }

RSA算法的优点是安全性高，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。

缺点是加密、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。

## 3 总结 ##

这一期就给大家简单盘点了一下最常用的5种加密算法。

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