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Java实现常用的三种加密算法详解

2024-04-02 19:55

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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。

信息摘要算法
对称加密算法
非对称加密算法

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和私钥，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


    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系列和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。

DES

DES 是对称加密算法领域中的典型算法，因为密钥默认长度为56 bit，所以密码长度需要大于 8 byte，DESKeySpec 取前 8 byte 进行密钥制作。

public static String encryptDES(byte[] content, String password) {
        try {
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(password.getBytes());
            SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(desKeySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, random);
            return Base64.getEncoder().encodeToString(cipher.doFinal(content));
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static String decryptDES(String content, String password) throws Exception {
        SecureRandom random = new SecureRandom();
        DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(password.getBytes());
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
        SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(desKeySpec);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, random);
        return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(content)));
    }

3DES

3DES（即Triple DES）。是DES算法的加强，它使用3条56位的密钥对数据进行三次加密。它以DES为基本模块，通过组合分组方法设计出分组加密算法。比起最初的DES，3DES更为安全。密钥默认长度 168 bit，密码需要大于24 byte，IV 是 8 byte 的随机数字和字母数组。

public static String encrypt3DESECB(String content, String key, String iv) {
        try {
            IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
            SecretKey secretkey = keyFactory.generateSecret(dks);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/CBC/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretkey, ivSpec);
            return Base64.getEncoder().encodeToString(cipher.doFinal(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static String decrypt3DESECB(String content, String key, String iv) {
        try {
            IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
            SecretKey secretkey = keyFactory.generateSecret(dks);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/CBC/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretkey, ivSpec);
            return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(content)), StandardCharsets.UTF_8);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

AES

AES 高级数据加密标准，能够有效抵御已知的针对DES算法的所有攻击，默认密钥长度为128 bit，还可以供选择 192 bit，256 bit。AES-128 AES-192 AES-256

默认 AES-128 ，使用 PBEKeySpec 生成固定大小的密钥。

public static String encryptAES128(String plainText, String password, String salt) throws Exception {
        SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");
        byte[] saltBytes = salt.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        // AES-128 密钥长度为128bit
        PBEKeySpec spec = new PBEKeySpec(
          password.toCharArray(),
          saltBytes,
          1000,
          128
        );
        SecretKey secretKey = factory.generateSecret(spec);
        SecretKeySpec secret = new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), "AES");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        AlgorithmParameters params = cipher.getParameters();
        IvParameterSpec iv = params.getParameterSpec(IvParameterSpec.class);

        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secret, iv);
        byte[] encryptedTextBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

        String encodedText = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedTextBytes);
        String encodedIV = Base64.getEncoder().encodeToString(iv.getIV());
        String encodedSalt = Base64.getEncoder().encodeToString(saltBytes);
        return encodedSalt + "." + encodedIV + "." + encodedText;
    }


    public static String decryptAES128(String encryptedText, String password) throws Exception {
        String[] fields = encryptedText.split("\\.");
        byte[] saltBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[0]);
        byte[] ivBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[1]);
        byte[] encryptedTextBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[2]);

        SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");
        PBEKeySpec spec = new PBEKeySpec(
          password.toCharArray(),
          saltBytes,
          1000,
          128
        );

        SecretKey secretKey = factory.generateSecret(spec);
        SecretKeySpec secret = new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), "AES");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secret, new IvParameterSpec(ivBytes));
        byte[] decryptedTextBytes;
        try {
            decryptedTextBytes = cipher.doFinal(encryptedTextBytes);
            return new String(decryptedTextBytes);
        } catch (IllegalBlockSizeException | BadPaddingException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

使用 AES-256 时可能会出现下面异常：

java.security.InvalidKeyException: Illegal key size

JDK 1.8.0_161 及以上版本默认已经启用无限强度加密：

static {
        java.security.Security.setProperty("crypto.policy", "unlimited");
    }

JDK 1.8.0_161以前版本需要手动安装 jce 策略文件（下载地址）

非对称加密算法

非对称加密使用一对密钥，公钥用作加密，私钥则用作解密。关于密钥大小，截至2020年，公开已知的最大RSA密钥是破解的是829位的RSA-250，建议至少使用 2048 位密钥。

public static String encrypt(byte[] publicKey, String plainText) {
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
        KeyFactory kf;
        try {
            kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PublicKey publicKeySecret = kf.generatePublic(keySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKeySecret);
            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
            return new String(Base64.getEncoder().encode(encryptedBytes));
        } catch (Exception e) {
            log.error("Rsa encrypt error ", e);
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static String decrypt(byte[] privateKey, String encryptedText) {
        PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
        KeyFactory kf;
        try {
            kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PrivateKey privateKeySecret = kf.generatePrivate(keySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKeySecret);
            return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedText)), StandardCharsets.UTF_8);
        } catch (Exception e) {
            log.error("Rsa decrypt error ", e);
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

到此这篇关于Java实现常用的三种加密算法详解的文章就介绍到这了,更多相关Java加密算法内容请搜索编程网以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持编程网！

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