淺析加密算法的來(lái)世今生
目前比較常用的加密算法總結(jié)起來(lái)就是單向加密和雙向加密了，其實(shí)很簡(jiǎn)單，理解也不難。但是小羽覺(jué)得還是很有必要對(duì)其原理進(jìn)行清晰的認(rèn)知的，這樣在我們的開(kāi)發(fā)中才會(huì)得心應(yīng)手。畢竟對(duì)于我們研發(fā)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)安全是第一位，加密算法對(duì)維護(hù)軟件的數(shù)據(jù)安全起著舉足輕重的作用。來(lái)跟著小羽看看這些算法都用在了哪些方面，怎么用的，代碼具體如何實(shí)現(xiàn)的。慢慢讀完，你會(huì)對(duì)這些小密碼有更深入的了解。
前言
今天給大家?guī)?lái)的的是關(guān)于加密算法的來(lái)世今生。
其實(shí)早在古希臘時(shí)期，人類(lèi)發(fā)明了置換密碼。到1881年世界上的第一個(gè)電話(huà)保密專(zhuān)利出現(xiàn)。二戰(zhàn)期間，德國(guó)軍方啟用“恩尼格瑪”密碼機(jī)，密碼學(xué)在戰(zhàn)爭(zhēng)中起著非常重要的作用。
在1997年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局公布實(shí)施了“美國(guó)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)”，民間力量開(kāi)始全面介入密碼學(xué)的研究和應(yīng)用中，采用的加密算法有 DES、RSA、SHA 等。隨著對(duì)加密強(qiáng)度需求的不斷提高，近期又出現(xiàn)了AES、ECC等。
好了，歷史講完了，該進(jìn)入正文了，先來(lái)看看使用加密算法對(duì)我們有啥好處。
使用密碼學(xué)可以達(dá)到以下目的：
保密性：防止用戶(hù)的標(biāo)識(shí)或數(shù)據(jù)被讀取。
數(shù)據(jù)完整性：防止數(shù)據(jù)被更改。
身份驗(yàn)證：確保數(shù)據(jù)發(fā)自特定的一方。
- 單向加密
- 通俗來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行摘要計(jì)算生成密文，密文不可逆推還原。算法代表：MD5、SHA、HMAC等。
單向加密
MD5
MD5 -- message-digest algorithm 5 (信息-摘要算法)縮寫(xiě)，廣泛用于加密和解密技術(shù)，常用于文件校驗(yàn)。不管文件多大，經(jīng)過(guò)MD5后都能生成唯一的 MD5 值。好比現(xiàn)在的 ISO 校驗(yàn)，都是 MD5 校驗(yàn)，把 ISO 經(jīng)過(guò) MD5 后產(chǎn)生 MD5 的值。一般下載 linux-ISO 的朋友都見(jiàn)過(guò)下載鏈接旁邊放著 MD5 的串。就是用來(lái)驗(yàn)證文件是否一致的。
加密工具類(lèi)如下：
- /**
- * MD5加密
- *
- * @param data
- * @return
- * @throws Exception
- */
- public static byte[] encryptMD5(byte[] data) throws Exception {
- MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance(KEY_MD5);
- md5.update(data);
- return md5.digest();
- }
SHA
SHA(Secure Hash Algorithm，安全散列算法)，數(shù)字簽名等密碼學(xué)應(yīng)用中重要的工具，被廣泛地應(yīng)用于電子商務(wù)等信息安全領(lǐng)域。雖然， SHA 與 MD5 通過(guò)碰撞法都被破解了，但是 SHA 仍然是公認(rèn)的安全加密算法，較之MD5更為安全。
加密工具類(lèi)如下：
- /**
- * SHA加密
- *
- * @param data
- * @return
- * @throws Exception
- */
- public static byte[] encryptSHA(byte[] data) throws Exception {
- MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance(KEY_SHA);
- sha.update(data);
- return sha.digest();
- }
- }
HMAC
HMAC(Hash Message Authentication Code ，散列消息鑒別碼，基于密鑰的 Hash 算法的認(rèn)證協(xié)議。消息鑒別碼實(shí)現(xiàn)鑒別的原理是，用公開(kāi)函數(shù)和密鑰產(chǎn)生一個(gè)固定長(zhǎng)度的值作為認(rèn)證標(biāo)識(shí)，用這個(gè)標(biāo)識(shí)鑒別消息的完整性。使用一個(gè)密鑰生成一個(gè)固定大小的小數(shù)據(jù)塊，即 MAC ，并將其加入到消息中，然后傳輸。接收方利用與發(fā)送方共享的密鑰進(jìn)行鑒別認(rèn)證等。
加密工具類(lèi)如下：
- /**
- * 初始化HMAC密鑰
- *
- * @return
- * @throws Exception
- */
- public static String initMacKey() throws Exception {
- KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KEY_MAC);
- SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
- return encryptBASE64(secretKey.getEncoded());
- }
- /**
- * HMAC加密
- *
- * @param data
- * @param key
- * @return
- * @throws Exception
- */
- public static byte[] encryptHMAC(byte[] data, String key) throws Exception {
- SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(decryptBASE64(key), KEY_MAC);
- Mac mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
- mac.init(secretKey);
- return mac.doFinal(data);
- }
- 雙向加密
- 雙向加密又稱(chēng)為可逆加密，即生成密文后，在需要的時(shí)候可以反解為明文，雙向加密分為對(duì)稱(chēng)加密和非對(duì)稱(chēng)加密。
對(duì)稱(chēng)加密算法
對(duì)稱(chēng)加密算法是應(yīng)用較早的加密算法，技術(shù)成熟。在對(duì)稱(chēng)加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)信方將明文(原始數(shù)據(jù))和加密密鑰一起經(jīng)過(guò)特殊加密算法處理后，使其變成復(fù)雜的加密密文發(fā)送出去。在對(duì)稱(chēng)加密算法中，使用的密鑰只有一個(gè)，發(fā)收信雙方都使用這個(gè)密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，這就要求解密方事先必須知道加密密鑰。對(duì)稱(chēng)加密算法的特點(diǎn)是8算法公開(kāi)、計(jì)算量小、加密速度快、加密效率高。不足之處是，交易雙方都使用同樣鑰匙，安全性得不到保證*。對(duì)稱(chēng)加密算法在分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上使用較為困難，主要是因?yàn)槊荑€管理困難，使用成本較高。
數(shù)據(jù)加密過(guò)程：在對(duì)稱(chēng)加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)送方將明文(原始數(shù)據(jù))和加密密鑰一起經(jīng)過(guò)特殊加密處理，生成復(fù)雜的加密密文進(jìn)行發(fā)送。
數(shù)據(jù)解密過(guò)程：數(shù)據(jù)接收方收到密文后，若想讀取原數(shù)據(jù)，則需要使用加密使用的密鑰及相同算法的逆算法對(duì)加密的密文進(jìn)行解密，才能使其恢復(fù)成可讀明文。
常用算法：DES、3DES、AES、TDEA、Blowfish、RC2、RC4、RC5、IDEA、Skipjack 等。下面主要介紹常用的 DES、3DES、AES 加密算法。
DES加密算法
DES 加密算法是一種分組密碼，以 64 位為分組對(duì)數(shù)據(jù)加密，它的密鑰長(zhǎng)度是 56位，加密解密用同一算法。DES 加密算法是對(duì)密鑰進(jìn)行保密，而公開(kāi)算法，包括加密和解密算法。這樣，只有掌握了和發(fā)送方相同密鑰的人才能解讀由DES加密算法加密的密文數(shù)據(jù)。因此，破譯 DES 加密算法實(shí)際上就是搜索密鑰的編碼。對(duì)于 56 位長(zhǎng)度的密鑰來(lái)說(shuō)，如果用窮舉法來(lái)進(jìn)行搜索的話(huà)，其運(yùn)算次數(shù)為 256 。
隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的不斷發(fā)展， DES 的安全性比它剛出現(xiàn)時(shí)會(huì)弱得多，然而從非關(guān)鍵性質(zhì)的實(shí)際出發(fā)，仍可以認(rèn)為它是足夠的。不過(guò)， DES 現(xiàn)在僅用于舊系統(tǒng)的鑒定，而更多地選擇新的加密標(biāo)準(zhǔn)。
加密工具類(lèi)如下：
- /**
- * 加密
- *
- * @param datasource 待加密數(shù)據(jù)
- * @param key
- * @return byte數(shù)組
- */
- public static byte[] enCrypto(byte[] datasource, String key) throws InvalidKeyException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException, NoSuchPaddingException, BadPaddingException, IllegalBlockSizeException {
- SecureRandom random = new SecureRandom();
- DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(key.getBytes());
- // 創(chuàng)建一個(gè)密匙工廠，然后用它把DESKeySpec轉(zhuǎn)換成
- SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
- SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);
- // Cipher對(duì)象實(shí)際完成加密操作
- Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
- // 用密匙初始化Cipher對(duì)象
- cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, securekey, random);
- // 現(xiàn)在，獲取數(shù)據(jù)并加密
- // 正式執(zhí)行加密操作
- return cipher.doFinal(datasource);
- }
3DES加密算法
DES 是三重?cái)?shù)據(jù)加密算法塊密碼的通稱(chēng)。它相當(dāng)于是對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊應(yīng)用三次 DES 加密算法。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的增強(qiáng)，原版DES密碼的密鑰長(zhǎng)度變得容易被暴力破解;3DES即是設(shè)計(jì)用來(lái)提供一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，即通過(guò)增加 DES 的密鑰長(zhǎng)度來(lái)避免類(lèi)似的攻擊，而不是設(shè)計(jì)一種全新的塊密碼算法。
3DES 是 DES 向 AES 過(guò)渡的加密算法，加密算法，其具體實(shí)現(xiàn)如下：設(shè) Ek()和 Dk() 代表 DES 算法的加密和解密過(guò)程， K 代表 DES 算法使用的密鑰， M 代表明文， C 代表密文。加密過(guò)程為：C=Ek3(Dk2(Ek1(M)))
加密工具類(lèi)如下：
- /**
- * 方法描述：3DES加密
- *
- * @param plainText 明文
- * @param secretKey 密鑰
- * @param iv 加密向量
- * @return String 密文
- * @throws Exception
- */
- public static String encode(String plainText, String secretKey, String iv)
- throws Exception {
- Key deskey = null;
- DESedeKeySpec spec = new DESedeKeySpec(secretKey.getBytes());
- SecretKeyFactory keyfactory = SecretKeyFactory.getInstance("desede");
- deskey = keyfactory.generateSecret(spec);
- Cipher cipher = Cipher.getInstance("desede/CBC/PKCS5Padding");
- IvParameterSpec ips = new IvParameterSpec(iv.getBytes());
- cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey, ips);
- byte[] encryptData = cipher.doFinal(plainText.getBytes(encoding));
- return Base64.encode(encryptData);
- }
AES加密算法
AES 加密算法是密碼學(xué)中的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)，該加密算法采用對(duì)稱(chēng)分組密碼體制，密鑰長(zhǎng)度的最少支持為 128、192 、 256 ，分組長(zhǎng)度 128 位，算法應(yīng)易于各種硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。這種加密算法是美國(guó)聯(lián)邦政府采用的區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)替代原先的 DES ，已經(jīng)被多方分析且廣為全世界所使用。
AES 加密算法被設(shè)計(jì)為支持 128/192/256位(/32=nb)數(shù)據(jù)塊大小(即分組長(zhǎng)度);支持 128/192/256位(/32=nk) 密碼長(zhǎng)度，，在 10 進(jìn)制里，對(duì)應(yīng) 34×1038、62×1057、1.1×1077 個(gè)密鑰。
加密工具類(lèi)如下：
- /**
- * AES加密
- * @param data 要加密的字符串
- * @param key 加密key
- * @param iv 密碼加密算法中的IV
- * @return 加密后的字符串
- */
- public static String encrypt(String data, String key, String iv) {
- try {
- Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding");
- int blockSize = cipher.getBlockSize();
- byte[] dataBytes = data.getBytes();
- int plaintextLength = dataBytes.length;
- if (plaintextLength % blockSize != 0) {
- plaintextLength = plaintextLength + (blockSize - (plaintextLength % blockSize));
- }
- byte[] plaintext = new byte[plaintextLength];
- System.arraycopy(dataBytes, 0, plaintext, 0, dataBytes.length);
- SecretKeySpec keyspec = new SecretKeySpec(key.getBytes(), Constant.STRING_AES);
- IvParameterSpec ivspec = new IvParameterSpec(iv.getBytes(Constant.STRING_UTF_8));
- cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keyspec, ivspec);
- byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext);
- String encrypt = Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted); //BASE64加密
- encrypt = encrypt.replaceAll(new String(Constant.STRING_CARRIAGE_RETURN), Constant.STRING_BLANK);
- encrypt = encrypt.replaceAll(new String(Constant.STRING_LINE_FEED), Constant.STRING_BLANK);
- return encrypt;
- } catch (Exception e) {
- e.printStackTrace();
- return null;
- }
- }
對(duì)稱(chēng)加密算法比較
非對(duì)稱(chēng)加密算法
工作流程：
1、乙方生成一對(duì)密鑰(公鑰和私鑰)并將公鑰向其它方公開(kāi)。
2、得到該公鑰的甲方使用該密鑰對(duì)機(jī)密信息進(jìn)行加密后再發(fā)送給乙方。
3、乙方再用自己保存的另一把專(zhuān)用密鑰(私鑰)對(duì)加密后的信息進(jìn)行解密。乙方只能用其專(zhuān)用密鑰(私鑰)解密由對(duì)應(yīng)的公鑰加密后的信息。
在傳輸過(guò)程中，即使攻擊者截獲了傳輸?shù)拿芪模⒌玫搅艘业墓€，也無(wú)法破解密文，因?yàn)橹挥幸业乃借€才能解密密文。
同樣，如果乙要回復(fù)加密信息給甲，那么需要甲先公布甲的公鑰給乙用于加密，甲自己保存甲的私鑰用于解密。
RSA加密算法
RSA 加密算法是目前最有影響力的公鑰加密算法，并且被普遍認(rèn)為是目前最優(yōu)秀的公鑰方案之一。RSA 是第一個(gè)能同時(shí)用于加密和數(shù)宇簽名的算法，它能夠抵抗到目前為止已知的所有密碼攻擊，已被 ISO 推薦為公鑰數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。RSA 加密算法基于一個(gè)十分簡(jiǎn)單的數(shù)論事實(shí)：將兩個(gè)大素?cái)?shù)相乘十分容易，但那時(shí)想要，但那時(shí)想要對(duì)其乘積進(jìn)行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開(kāi)作為加密密鑰。
加密工具類(lèi)如下：
- /**
- * RSA公鑰加密
- *
- * @param str 加密字符串
- * @param publicKey 公鑰
- * @return 密文
- * @throws Exception 加密過(guò)程中的異常信息
- */
- public static String encrypt( String str, String publicKey ) throws Exception{
- //base64編碼的公鑰
- byte[] decoded = Base64.decodeBase64(publicKey);
- RSAPublicKey pubKey = (RSAPublicKey) KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(new X509EncodedKeySpec(decoded));
- //RSA加密
- Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
- cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
- String outStr = Base64.encodeBase64String(cipher.doFinal(str.getBytes("UTF-8")));
- return outStr;
- }
DSA加密算法
DSA 是基于整數(shù)有限域離散對(duì)數(shù)難題的，其安全性與 RSA 相比差不多。DSA 的一個(gè)重要特點(diǎn)是兩個(gè)素?cái)?shù)公開(kāi)，這樣，當(dāng)使用別人的 p 和 q 時(shí)，即使不知道私鑰，你也能確認(rèn)它們是否是隨機(jī)產(chǎn)生的，還是作了手腳。RSA算法卻做不到。DSA 只是一種算法，和 RSA 不同之處在于它不能用作加密和解密，也不能進(jìn)行密鑰交換，只用于簽名,它比RSA要快很多.
加密流程如下：
ECC加密算法
橢圓加密算法(ECC)是一種公鑰加密體制，最初由 Koblitz 和 Miller 兩人于 1985 年提出，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是利用橢圓曲線(xiàn)上的有理點(diǎn)構(gòu)成 Abel 加法群上橢圓離散對(duì)數(shù)的計(jì)算困難性。公鑰密碼體制根據(jù)其所依據(jù)的難題一般分為三類(lèi)：大整數(shù)分解問(wèn)題類(lèi)、離散對(duì)數(shù)問(wèn)題類(lèi)、橢圓曲線(xiàn)類(lèi)。有時(shí)也把橢圓曲線(xiàn)類(lèi)歸為離散對(duì)數(shù)類(lèi)。橢圓曲線(xiàn)密碼體制是目前已知的公鑰體制中，對(duì)每比特所提供加密強(qiáng)度最高的一種體制。解橢圓曲線(xiàn)上的離散對(duì)數(shù)問(wèn)題的最好算法是 Pollard rho 方法，其時(shí)間復(fù)雜度為，是完全指數(shù)階的。
加密工具類(lèi)如下：
- /**
- * 加密
- * @param data
- * @param publicKey
- * @return
- * @throws Exception
- */
- public static byte[] encrypt(byte[] data, String publicKey)
- throws Exception {
- byte[] keyBytes = BASE64Decoder.decodeBuffer(publicKey);
- X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
- KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ECCEnum.ALGORITHM.value());
- ECPublicKey pubKey = (ECPublicKey) keyFactory
- .generatePublic(x509KeySpec);
- Cipher cipher = new NullCipher();
- cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
- return cipher.doFinal(data);
- }
非對(duì)稱(chēng)加密算法比較
總結(jié)
對(duì)稱(chēng)加密和非對(duì)稱(chēng)加密比較
實(shí)際應(yīng)用：
采用非對(duì)稱(chēng)加密算法管理對(duì)稱(chēng)算法的密鑰，用對(duì)稱(chēng)加密算法加密數(shù)據(jù)，即提高了加密速度，又實(shí)現(xiàn)了解密的安全
RSA 建議采用 1024 位的數(shù)字， ECC 建議采用160位， AES 采用128位即可
其它方面的比較：
在管理方面：公鑰密碼算法只需要較少的資源就可以實(shí)現(xiàn)目的，在密鑰的分配上，兩者之間相差一個(gè)指數(shù)級(jí)別(一個(gè)是n一個(gè)是n2)。所以公鑰密碼算法不適應(yīng)廣域網(wǎng)的使用，而且更重要的一點(diǎn)是它不支持?jǐn)?shù)字簽名。
在安全方面：由于公鑰密碼算法基于未解決的數(shù)學(xué)難題，在破解上幾乎不可能。對(duì)于私鑰密碼算法，到了AES雖說(shuō)從理論來(lái)說(shuō)是不可能破解的，但從計(jì)算機(jī)的發(fā)展角度來(lái)看。公鑰更具有優(yōu)越性。
