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Java对称与非对称加密算法原理详细讲解

2022-11-07 08:39:37 作者：OlaiolaiO

对称加密算法指加密和解密使用相同密钥的加密算法。对称加密算法用来对敏感数据等信息进行加密，非对称加密算法指加密和解密使用不同密钥的加密算法，也称为公私钥加密

一、对称加密算法

1.概述

对称加密算法就是传统的用一个密码进行加密和解密。例如，我们常用的 WinZIP 和 WinRAR 对压缩包的加密和解密，就是使用对称加密算法。

从程序的角度看，所谓加密，就是这样一个函数：

它接收密码和明文，然后输出密文： secret = encrypt(key, message);

而解密则相反，它接收密码和密文，然后输出明文： plain = decrypt(key, secret)。

2.常用的对称加密算法

密钥长度直接决定加密强度，而工作模式和填充模式可以看成是对称加密算法的参数和格式选择。Java标准库提供的算法实现并不包括所有的工作模式和所有填充模式，但是通常我们只需要挑选常用的使用就可以了。

注意：DES 算法由于密钥过短，现在已经不安全了

3.AES加密

AES 算法是目前应用最广泛的加密算法。比较常见的工作模式是 ECB 和 CBC。

①ECB模式

import java.security.*;
import java.util.Base64;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message(原始信息): " + message);
        // 128位密钥 = 16 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes();
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes();
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted(加密内容): " + 
        					Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted(解密内容): " + new String(decrypted));
    }
    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
    	// 创建密码对象，需要传入算法/工作模式/填充模式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        // 根据key的字节内容，"恢复"秘钥对象
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        // 初始化秘钥:设置加密模式ENCRYPT_MODE
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
        // 根据原始内容(字节),进行加密
        return cipher.doFinal(input);
    }
    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
    	// 创建密码对象，需要传入算法/工作模式/填充模式
    	Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
    	// 根据key的字节内容，"恢复"秘钥对象
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        // 初始化秘钥:设置解密模式DECRYPT_MODE
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
        // 根据原始内容(字节),进行解密
        return cipher.doFinal(input);
    }
}

②CBC模式

ECB 模式是最简单的 AES 加密模式，它只需要一个固定长度的密钥，固定的明文会生成固定的密文，这种一对一的加密方式会导致安全性降低，更好的方式是通过 CBC 模式，它需要一个随机数作为 IV 参数，这样对于同一份明文，每次生成的密文都不同：

package com.apesource.demo04;
import java.security.*;
import java.util.Base64;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class Main {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message(原始信息): " + message);
        // 256位密钥 = 32 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef1234567890abcdef".getBytes();
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes();
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted(加密内容): " + 
				Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted(解密内容): " + new String(decrypted));
    }
    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 设置算法/工作模式CBC/填充
    	Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
    	// 恢复秘钥对象
        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); // 生成16个字节的随机数
        System.out.println(Arrays.toString(iv));
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 随机数封装成IvParameterSpec参数对象
        // 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        // 加密
        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); // IV
        System.arraycopy(input, 16, data, 0, data.length); //密文
        System.out.println(Arrays.toString(iv));
        // 解密:
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); // 密码对象
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES"); // 恢复秘钥
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 恢复IV
        // 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        // 解密操作
        return cipher.doFinal(data);
    }
    // 合并数组
    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;
    }
}

在 CBC 模式下，需要一个随机生成的 16 字节IV参数，必须使用 SecureRandom 生成。因为多了一个 IvParameterSpec 实例，因此，初始化方法需要调用 Cipher 的一个重载方法并传入 IvParameterSpec 。观察输出，可以发现每次生成的 IV 不同，密文也不同。

二、秘钥交换算法

使用Java实现DH算法：

import java.math.BigInteger;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import javax.crypto.KeyAgreement;
public class Main04 {
	public static void main(String[] args) {
        // Bob和Alice:
        Person bob = new Person("Bob");
        Person alice = new Person("Alice");
        // 各自生成KeyPair: 公钥+私钥
        bob.generateKeyPair();
        alice.generateKeyPair();
        // 双方交换各自的PublicKey(公钥):
        // Bob根据Alice的PublicKey生成自己的本地密钥(共享公钥):
        bob.generateSecretKey(alice.publicKey.getEncoded());
        // Alice根据Bob的PublicKey生成自己的本地密钥(共享公钥):
        alice.generateSecretKey(bob.publicKey.getEncoded());
        // 检查双方的本地密钥是否相同:
        bob.printKeys();
        alice.printKeys();
        // 双方的SecretKey相同，后续通信将使用SecretKey作为密钥进行AES加解密...
    }
}
// 用户类
class Person {
    public final String name; // 姓名
    // 密钥
    public PublicKey publicKey; // 公钥
    private PrivateKey privateKey; // 私钥
    private byte[] secretKey; // 本地秘钥(共享密钥)
    // 构造方法
    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }
    // 生成本地KeyPair:(公钥+私钥)
    public void generateKeyPair() {
        try {
        	// 创建DH算法的“秘钥对”生成器
            KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
            kpGen.initialize(512);
            // 生成一个"密钥对"
            KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();
            this.privateKey = kp.getPrivate(); // 私钥
            this.publicKey = kp.getPublic(); // 公钥
        } catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
    // 按照 "对方的公钥" => 生成"共享密钥"
    public void generateSecretKey(byte[] receivedPubKeyBytes) {
        try {
            // 从byte[]恢复PublicKey:
            X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(receivedPubKeyBytes);
            // 根据DH算法获取KeyFactory
            KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("DH");
            // 通过KeyFactory创建公钥
            PublicKey receivedPublicKey = kf.generatePublic(keySpec);
            // 生成本地密钥(共享公钥)
            KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance("DH");
            keyAgreement.init(this.privateKey); // 初始化"自己的PrivateKey"
            keyAgreement.doPhase(receivedPublicKey, true); // 根据"对方的PublicKey"
            // 生成SecretKey本地密钥(共享公钥)
            this.secretKey = keyAgreement.generateSecret();
        } catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
    public void printKeys() {
        System.out.printf("Name: %s\n", this.name);
        System.out.printf("Private key: %x\n", new BigInteger(1, this.privateKey.getEncoded()));
        System.out.printf("Public key: %x\n", new BigInteger(1, this.publicKey.getEncoded()));
        System.out.printf("Secret key: %x\n", new BigInteger(1, this.secretKey));
    }
}

DH 算法是一种密钥交换协议，通信双方通过不安全的信道协商密钥，然后进行对称加密传输。

三、非对称加密算法

1.概述

从 DH 算法我们可以看到，公钥-私钥组成的密钥对是非常有用的加密方式，因为公钥是可以公开的，而私钥是完全保密的，由此奠定了非对称加密的基础。

非对称加密：加密和解密使用的不是相同的密钥，只有同一个公钥-私钥对才能正常加解密。

例如：小明要加密一个文件发送给小红，他应该首先向小红索取她的公钥，然后，他用小红的公钥加密，把加密文件发送给小红，此文件只能由小红的私钥解开，因为小红的私钥在她自己手里，所以，除了小红，没有任何人能解开此文件。

2.RSA算法

非对称加密的典型算法就是 RSA 算法，它是由Ron Rivest，Adi Shamir，Leonard Adleman这三个人一起发明的，所以用他们三个人的姓氏首字母缩写表示。

import java.math.BigInteger;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import javax.crypto.Cipher;
// RSA
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:
		Human alice = new Human("Alice");
		// 用Alice的公钥加密:
		// 获取Alice的公钥，并输出
		byte[] pk = alice.getPublicKey();
		System.out.println(String.format("public key(公钥): %x", new BigInteger(1, pk)));
		// 使用公钥加密
		byte[] encrypted = alice.encrypt(plain);
		System.out.println(String.format("encrypted(加密): %x", new BigInteger(1, encrypted)));
		// 用Alice的私钥解密:
		// 获取Alice的私钥，并输出
		byte[] sk = alice.getPrivateKey();
		System.out.println(String.format("private key(私钥): %x", new BigInteger(1, sk)));
		// 使用私钥解密
		byte[] decrypted = alice.decrypt(encrypted);
		System.out.println("decrypted(解密): " + new String(decrypted, "UTF-8"));
	}
}
// 用户类
class Human {
	// 姓名
	String name;
	// 私钥:
	PrivateKey sk;
	// 公钥:
	PublicKey pk;
	// 构造方法
	public Human(String name) throws GeneralSecurityException {
		// 初始化姓名
		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); // 使用公钥进行初始化
		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); // 使用私钥进行初始化
		return cipher.doFinal(input);
	}
}

RSA 算法的密钥有 256 / 512 / 1024 / 2048 / 4096 等不同的长度。长度越长，密码强度越大，当然计算速度也越慢。

3.非对称加密算法的优缺点

非对称加密的优点：对称加密需要协商密钥，而非对称加密可以安全地公开各自的公钥，在N个人之间通信的时候：使用非对称加密只需要N个密钥对，每个人只管理自己的密钥对。而使用对称加密需要则需要N*(N-1)/2个密钥，因此每个人需要管理N-1个密钥，密钥管理难度大，而且非常容易泄漏。

非对称加密的缺点：运算速度非常慢，比对称加密要慢很多。

所以，在实际应用的时候，非对称加密总是和对称加密一起使用。

四、总结

对称加密算法使用同一个密钥进行加密和解密，常用算法有 DES、AES 和 IDEA 等；
对称加密算法密钥长度由算法设计决定， AES 的密钥长度是 128 / 192 / 256 位；
使用对称加密算法需要指定算法名称、工作模式和填充模式。
DH算法是一种密钥交换协议，通信双方通过不安全的信道协商密钥，进行对称加密传输；
非对称加密就是加密和解密使用的不是相同的密钥，只有同一个公钥-私钥对才能正常加解密。

到此这篇关于Java对称与非对称加密算法实现详解的文章就介绍到这了,更多相关Java对称与非对称加密算法内容请搜索脚本之家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脚本之家！

Java对称与非对称加密算法原理详细讲解

一、对称加密算法

1.概述

2.常用的对称加密算法

3.AES加密

①ECB模式

②CBC模式

二、秘钥交换算法

三、非对称加密算法

1.概述

2.RSA算法

3.非对称加密算法的优缺点

四、总结

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