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Java加密与解密

老牧童 • • java • 阅读 154

Java加密与解密加密方式主要有3种，摘要加密、对称加密与非对称加密。

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

首先应当区分加密与编码并不是一回事。

文章目录

一、简介

  1. 加密方式主要有3种：

    • 可逆

      • 【对称加密】：symmetric，例如 AES、DES 等。

      • 【非对称加密】：asymmetric，例如 RSA、DSA 等。

    • 不可逆

      • 【摘要加密】：Digest/Hash，例如 MD5、SHA-1、SHA-256、HMAC 等。

  2. 加解密思想：将一种排序好的二进制，转变为另一种排序的二进制。

    • 输入：二进制数据
    • 输出：二进制数据

  3. 注意：在加密后得到的是二进制数据，一般来说我们需要将其转变为更加容易阅读的十六进制范式，两种方式

    • Base64编码：源数据3个字节为一组, 转化为4个字符表示。
    • BigInteger转码：本质十六进制，源数据的1个字节为一组, 转为2个字符表示。
    String en = Base64.getEncoder().encodeToString( endoce );

    // 默认的2进制转16进制。【1】表示整数，不加可能得负值（结果出错）
String encodeHex = new BigInteger(1,msg).toString(16);

// 16进制数据转2进制
new BigInteger("1f6f", 16).toString(2)

  4. 16进制一般针对无法显示的一些二进制进行显示，常用于：

    • 加密解密。
    • 编码转换。
    • 图片表现形式转换。

  5. 【英语翻译】：

    • Bin：Binary，二进制。
    • Oct：Octal，八进制。
    • Dec：Decimal，十进制。
    • Hex：Hexadecimal，十六进制。

  6. BouncyCastle库：

    ​ 一个提供了很多哈希算法和加密算法的第三方库。它包含了Java原生中所缺失的一些加密方式（如国产算法），需要时再导入。

    <!-- jdk15on 代表适用于 jdk1.5 以上的版本而不是 jdk15 -->
<dependency>
    <groupId>org.bouncycastle</groupId>
    <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
    <version>1.70</version>
</dependency>

  7. 在接下来的章节中，为了达到快速开发的目的，我会结合着Java辅助开发框架【hutool】来讲解。

    <!-- pom 导包 -->
<dependency>
    <groupId>cn.hutool</groupId>
    <artifactId>hutool-crypto</artifactId>
    <version>5.8.5</version>
</dependency>

二、对称加密AES

  1. 简介

    • 对称加密也称私匙加密、传统密码算法，又分为两种类型：

      • 分组加密：也叫块加密(block cyphers)，一次加密明文中的一个块。

      • 序列加密：也叫流加密(stream cyphers)，一次加密明文中的一个位。

    • 加密和解密共用一套密匙、共用同一个密码，私匙一般不可泄露，双方需要在一开始的时候就相互协商密匙；常用的zip解压缩使用的就是对称加密算法。
    • 在加密的过程中存在三个概念：加密方式、工作模式、填充模式。

  2. 加密方式：

    • DES：Data Encryption Standard，“数据加密标准”，密匙过短，可以在短时间内被暴力激活成功教程。
    • AES：Advanced Encryption Standard，“高级加密标准”，又称Rijndael加密法，开发目的是为了取代DES，目前最流行的对称加密方式。

    image-20220810081354368

  3. 工作模式（6种）：维基百科

    • ECB：Electronic codebook，电子密码本
    • CBC：Cipher-block chaining，密码块链接
    • PCBC：Propagating cipher-block chaining，填充密码块链接
    • CFB：Cipher feedback，密文反馈
    • OFB：Output feedback，输出反馈
    • CTR：Counter mode，计数器模式

  4. 填充模式（9种）：

    • **No Padding：**不填充，在此填充下原始数据必须是分组大小的整数倍，非整数倍时无法使用该模式。
    • PKCS5 / PKCS7 Padding：两者基本相同，填充至符合块大小的整数倍。
      • 原始：FF FF FF FF FF FF FF FF FF
      • 填充：FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 07 07 07 07 07 07
    • ISO10126 Padding：填充至符合块大小的整数倍，填充值最后一个字节为填充的数量数，其他字节随机处理。
      • 原始：FF FF FF FF FF FF FF FF FF
      • 填充：FF FF FF FF FF FF FF FF FF 3F 7A B4 09 14 36 07
    • ISO7816-4 Padding：填充至符合块大小的整数倍，填充值第一个字节为十六进制80，其他字节填 0。
      • 原始：FF FF FF FF FF FF FF FF FF
      • 填充：FF FF FF FF FF FF FF FF FF 80 00 00 00 00 00 00
    • ZeroByte Padding：填充至符合块大小的整数倍，填充值为 0。
      • 原始：FF FF FF FF FF FF FF FF FF
      • 填充：FF FF FF FF FF FF FF FF FF 00 00 00 00 00 00 00
    • X923 Padding：填充至符合块大小的整数倍，填充值最后一个字节为填充的数量数，其他字节填 0。
      • 原始：FF FF FF FF FF FF FF FF FF
      • 填充：FF FF FF FF FF FF FF FF FF 00 00 00 00 00 00 07
    • TBC Padding（Trailing-Bit-Compliment）：填充至符合块大小的整数倍，原文最后一位为“1”时填充 0x00，最后一位为“0”时填充“0xFF”。
      • 原始：FF FF FF FF FF FF FF FF FF
      • 填充：FF FF FF FF FF FF FF FF FF 00 00 00 00 00 00 00
      • 原始：FF FF FF FF FF FF FF FF F0
      • 填充：FF FF FF FF FF FF FF FF F0 FF FF FF FF FF FF FF
    • PKCS1 Padding：RSA 加密时，需要将原文填充至密钥大小。

  5. 密匙长度：

    ​ 以AES为例，密匙长度指的就是 key 的长度，有AES128、AES192、AES256之分，密匙长度越长、保护性就越强、所需要的计算量就越大。密钥长度根据指定密钥位数分别为16、24、32个字符，IV与密钥超过长度则截取，不足则在末尾填充’\0’补足，选择了对应长度的密匙加密方式，密匙本身长度也要跟上。

    在这里插入图片描述

  6. AES，ECB模式加密

    • 简介：

      • ECB模式比较简单，每次固定的密匙总会生成固定的密文。
      • 使用Cipher进行加解密，SecretKey为相对应的密匙、需要在Cipher中初始化。

    • 步骤：

      1. 根据算法名称/工作模式/填充模式获取Cipher实例；
      2. 根据算法名称初始化一个SecretKey实例，密钥必须是指定长度；
      3. 使用SerectKey初始化Cipher实例，并设置加密或解密模式；
      4. 传入明文或密文，获得密文或明文。

    • 【Java原生-加密】

    String message = "待加密内容";
byte[] data    = message.getBytes("UTF-8");

// 128位 = 16 byte 的 key 值
byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes("UTF-8");

Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);  // 初始化加密工具
byte[] encrypted = cipher.doFinal(data);		// 加密

String en = Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted);
    • 【Java原生-解密】
    byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes("UTF-8");
byte[] decode = Base64.getDecoder()
  .decode("AYpKX4YMIhmojH89B3Pd9Q==");

Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);  // 解密模式
byte[] bytes = cipher.doFinal(decode);

String msg     = new String(bytes,"utf-8");
System.out.println(msg);  // 输出（正确）：“待加密内容”
    • 【Hutool-加解密】
    String content = "中文";

//随机生成密钥，当然也可以自定义
byte[] key = SecureUtil
 .generateKey(SymmetricAlgorithm.AES.getValue())
 .getEncoded();

//构建【对称加密类（工具）】
AES aes = SecureUtil.aes(key);

// 1. 普通加密、解密
byte[] encrypt = aes.encrypt(content);
byte[] decrypt = aes.decrypt(encrypt);

// 2. 加密、解密为16进制字符。
String encryptHex = aes.encryptHex(content);
String decryptStr = aes.decryptStr(encryptHex);

  7. AES，CBC模式加密

    • 简介：

      ​ 需要一个随机数作为IV（Initialization Vector）初始化因子，这样对于同一份明文，每次生成的密文都会不同。IV参数不需要保密，在解密的时候作入参传入。IOS等移动端对AES加密有要求，必须为PKCS7Padding模式。

    • 【原生】简单复合案例

public class Main { 
   
    public static void main(String[] args) throws Exception { 
   
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message: " + message);
        // 256位密钥 = 32 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef1234567890abcdef".getBytes("UTF-8");
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes("UTF-8");
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8"));
    }

    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException { 
   
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        // CBC模式需要生成一个16 bytes的initialization vector:
        SecureRandom sr = SecureRandom.getInstanceStrong();
        byte[] iv = sr.generateSeed(16);
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        byte[] data = cipher.doFinal(input);
        // IV不需要保密，把IV和密文一起返回:
        return join(iv, data);
    }

    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException { 
   
        // 把input分割成IV和密文:
        byte[] iv = new byte[16];
        byte[] data = new byte[input.length - 16];
        System.arraycopy(input, 0, iv, 0, 16);
        System.arraycopy(input, 16, data, 0, data.length);
        // 解密:
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    public static byte[] join(byte[] bs1, byte[] bs2) { 
   
        byte[] r = new byte[bs1.length + bs2.length];
        System.arraycopy(bs1, 0, r, 0, bs1.length);
        System.arraycopy(bs2, 0, r, bs1.length, bs2.length);
        return r;
    }
}
  • 【hutool】
AES aes = new AES(Mode.CBC,Padding.PKCS5Padding,
        "0123456789ABHAEQ".getBytes(),  // 密匙key
        "DYgjCEIMVrj2W9xN".getBytes());	// iv加盐

// 加密、解密，16进制表示
String encryptHex = aes.encryptHex(content);
String decryptStr = aes.decryptStr(encryptHex);

三、非对称加密RSA

  1. 简介

    • 公匙、私匙，常用的非对称加密方式为：
      • RSA：由Ron Rivest，Adi Shamir，Leonard Adleman这三人共同发明，名字由为三人姓氏首字母大写。RSA加密算法基于一个十分简单的数论事实，即将两个大素数相乘十分容易，但想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。
      • DSA：Digital Signature Algorithm，数字签名算法，常用于签名。
    • 某人可以向社会公布他的公匙，任何想发消息给他的人都得用公匙对消息进行加密，然后只有他可以用私匙解密对应消息。
    • 非对称加密和对称加密都不能防止【中间人攻击】，应用2种：加密、签名。

  2. 【必要性说明】

    ​ 非对称加密相较于对称加密速度慢、效率低，实际开发中，非对称加密总是和对称加密一起使用。

    • 小明生成一个随机的AES口令，然后用小红的公钥通过RSA加密这个口令，并发给小红。
    • 小红用自己的RSA私钥解密得到AES口令。
    • 双方使用这个共享的AES口令用AES加密通信。

  3. RAS加密

    • 【原生】
public class Main { 
   
    public static void main(String[] args) throws Exception { 
   
        // 明文:
        byte[] plain = "Hello, encrypt use RSA".getBytes("UTF-8");
        // 创建公钥／私钥对:
        Person alice = new Person("Alice");
        // 用Alice的公钥加密:
        byte[] pk = alice.getPublicKey();
        System.out.println(String.format("public key: %x", new BigInteger(1, pk)));
        byte[] encrypted = alice.encrypt(plain);
        System.out.println(String.format("encrypted: %x", new BigInteger(1, encrypted)));
        // 用Alice的私钥解密:
        byte[] sk = alice.getPrivateKey();
        System.out.println(String.format("private key: %x", new BigInteger(1, sk)));
        byte[] decrypted = alice.decrypt(encrypted);
        System.out.println(new String(decrypted, "UTF-8"));
    }
}

class Person { 
   
    String name;
    // 私钥:
    PrivateKey sk;
    // 公钥:
    PublicKey pk;

    public Person(String name) throws GeneralSecurityException { 
   
        this.name = name;
        // 生成公钥／私钥对:
        KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        kpGen.initialize(1024);
        KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();
        this.sk = kp.getPrivate();
        this.pk = kp.getPublic();
    }

    // 把私钥导出为字节
    public byte[] getPrivateKey() { 
   
        return this.sk.getEncoded();
    }

    // 把公钥导出为字节
    public byte[] getPublicKey() { 
   
        return this.pk.getEncoded();
    }

    // 用公钥加密:
    public byte[] encrypt(byte[] message) throws GeneralSecurityException { 
   
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, this.pk);
        return cipher.doFinal(message);
    }

    // 用私钥解密:
    public byte[] decrypt(byte[] input) throws GeneralSecurityException { 
   
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, this.sk);
        return cipher.doFinal(input);
    }
}
  • 【hutool】
    • 使用AsymmetricCrypto类。
    • 当拥有密文和一份密匙，只需重新利用密匙构建AsymmetricCrypto即可，此时另一份密匙传入null。
// 构建 RSA 加密工具，可传参【公匙】与【私匙】。
AsymmetricCrypto rsa = new AsymmetricCrypto("RSA");

// 获得私钥，可存储于其他文件中
PrivateKey sk   = rsa.getPrivateKey();
String     sk64 = rsa.getPrivateKeyBase64();

// 获得公钥，可存储于其他文件中
PublicKey pk   = rsa.getPublicKey();
String    pk64 = rsa.getPublicKeyBase64();

// 公钥加密，私钥解密
String encode = rsa.encryptBase64("中文", KeyType.PublicKey);
String decode = rsa.decryptStr(encode, KeyType.PrivateKey);

  1. RAS签名

    • 私匙加密、公匙解密。
      • 发布者在公布自己的消息时，需要公布两份东西，一份是数据，另一份就是签名。
      • 验证时，先将数据经过散列得到Hash1，再将签名公匙解密得到Hash2，两者进行比对。
      • 事先经过hash散列的好处就是缩短了要加密的数据和生成的签名数据，进一步减轻了带宽压力。
    • 常用的数字签名算法有3种，实际上就是指定某种哈希算法进行RSA签名的方式。
      • MD5withRSA
      • SHA1withRSA
      • SHA256withRSA

    Java加密与解密

    • 【原生】
    // 生成RSA公钥、私钥
KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
kpGen.initialize(1024);
KeyPair    kp = kpGen.generateKeyPair();
PrivateKey sk = kp.getPrivate();
PublicKey  pk = kp.getPublic();

// 待签名的消息
byte[] message = "中文".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);

// 用私钥签名
Signature signSk = Signature.getInstance("SHA1withRSA");
signSk.initSign(sk);
signSk.update(message);
byte[] signed = signSk.sign();
System.out.println(String.format("signature: %x", new BigInteger(1, signed)));
                   
// 用公钥验证，最后得到的是Boolean值，判断真假。
Signature signPk = Signature.getInstance("SHA1withRSA");
signPk.initVerify(pk);
signPk.update(message);
boolean valid = signPk.verify(signed);
System.out.println("valid? " + valid);
    • 【hutool】
    byte[] data = "中文".getBytes();
Sign   sign = SecureUtil.sign(SignAlgorithm.MD5withRSA);

//签名
byte[] signed = sign.sign(data);

//验证签名
boolean verify = sign.verify(data, signed);
System.out.println(verify);

    // 可以将本次生成的私匙与公匙保存到文件
PublicKey pk = sign.getPublicKey();
PrivateKey sk = sign.getPrivateKey();

四、摘要加密Hash

  1. 简介

    • 哈希严格来说只是一种摘要算法Digest而不是加密算法。
    • 特点：
      • 对于任意输入，都输出固定长度的值。
      • “不可逆”算法。
    • 应用领域：
      • 加密，MD5加盐散列。
      • 数据完整性验证。

  2. 加盐思想：为什么加盐能够防止黑客通过彩虹表激活成功教程？

    ​ 因为在没有加盐时，黑客拥有一张通过大量时间计算得出来的“彩虹表1”，可以轻易的碰撞到原始密码。当我们加盐之后，由于盐值可以是随机的（比如盐值为用户名），此时黑客就需要重新计算大量数据，这种计算是极其耗费时间的。

  3. Java原生哈希算法：输入任意字符，输出固定4字节int型整数。

    // 1. hash 后获得十进制数
Integer code = "Java".hashCode();

// 2. 将十进制数转为十六进制数
String  hashString    = Integer.toHexString(code);

// 3. 输出(0x)231e42，4字符 = 32位 = 长度为2+6的十六进制数。
System.out.println(hashString);

  4. 常见Hash算法

    image-20220809151616625

    • MD5占内存128位，32字符。
    • MD5与SHA-1算法现已可激活成功教程，不推荐敏感程序使用（MD5更快、SHA-1更安全）。
    • SHA算法可分为3代，分别为：
      • SHA-1系列：SHA-1。
      • SHA-2系列：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。
      • SHA-3系列：SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384、SHA3-512。

  5. hutool提供了一些哈希算法实现

    image-20220810075442556

  6. MD5加密：不加盐版

    • 【原生】
    // 获取MessageDigest实例:
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");

// 反复调用update输入数据:
md.update("中".getBytes("UTF-8"));
md.update("文".getBytes("UTF-8"));

// a7bac2239fcdcb3a067903d8077c4a07
byte[] result = md.digest(); 
System.out.println(new BigInteger(1, result).toString(16));
    • 【hutool】
    String   testStr = "中文";
Digester md5     = new Digester(DigestAlgorithm.MD5);
String digestHex = md5.digestHex(testStr);

// a7bac2239fcdcb3a067903d8077c4a07
System.out.println(digestHex);

  7. MD5加密：加盐版。

    • 加盐本质：拼接字符串再加密。

    • 【原生】：直接拼接字符串，将 key 与 原文拼接一起再 encry。

    • 【Hmac算法】：Hash-based Message Authentication Code，Java原生类，一种更安全的哈希算法，适用于任何可迭代的哈希算法，例如md5、SHA-1等。

    KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("HmacMD5");
SecretKey key = keyGen.generateKey();

// 打印随机生成的key:
byte[] skey = key.getEncoded();
System.out.println(new BigInteger(1, skey).toString(16));

Mac mac = Mac.getInstance("HmacMD5");
mac.init(key);
mac.update("HelloWorld".getBytes("UTF-8"));
byte[] result = mac.doFinal();
System.out.println(new BigInteger(1, result).toString(16));
    • 【hutool】
    byte[] salt = "password".getBytes();  
HMac   hmac = new HMac(HmacAlgorithm.HmacMD5, salt);

// b977f4b13f93f549e06140971bded384
String hmacHex = hmac.digestHex("中文".getBytes("UTF-8"));
System.out.println(macHex);

五、国产加密SM

重要章节

  1. 简介：

    • 【hutool】框架工具类SmUtil。
    • 涉及到国产加密算法，需导入Bouncy Castle包。
    <dependency>
    <groupId>org.bouncycastle</groupId>
    <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
    <version>1.70</version>
</dependency>

  2. 国密加密主要分为：

    • 非对称加密和签名：SM2、SM9。
    • 摘要签名算法：SM3
    • 对称加密：SM1、SM4、SM7、祖冲之密码（ZUC）。

  3. SM1算法不公开，仅以IP核的方式存在于芯片中，例如智能门锁、智能IC卡等，成本高。

  4. 非对称加密SM2

    • 【加密】
    String text = "中文";
SM2 sm2 = SmUtil.sm2();

// 随机公钥加密、私钥解密，自定义直接构造时传入或set__()即可
String enStr = sm2.encryptBcd(text, KeyType.PublicKey);
byte[] de = sm2.decryptFromBcd(encryptStr, KeyType.PrivateKey);
String deStr = new String(decode);

    • 【签名】

      ​ HexUtil是将字符串或byte数组与16进制表示转换的工具类，效果与使用BigInteger一样，其两者底层实现一样，可以互用。

    String content = "中文";
final SM2 sm2 = SmUtil.sm2();

// 先转为十六进制数据Hex，然后再签名
String sign = sm2.signHex(HexUtil.encodeHexStr(content));

// true
boolean v = sm2.verifyHex(HexUtil.encodeHexStr(content), sign);

  5. 摘要加密SM3

    String digestHex = SmUtil.sm3("中文");

  6. 对称加密SM4

    String content = "test中文";
SymmetricCrypto sm4 = SmUtil.sm4();

String encryptHex = sm4.encryptHex(content);
String decryptStr = sm4.decryptStr(encryptHex);

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