一文盘点五种最常用的Java加密算法
作者:三分恶
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
其实,论到加密解密算法的应用,有一个东西,可以说是应用到了极致,它是什么呢?
—— HTTPS
我们简单回忆一下HTTPS的工作流程,和用到的加密算法:
客户端发起HTTPS请求:用户使用浏览器输入网址访问HTTPS站点,准备发起HTTPS请求
服务端提供证书:服务器返回公钥证书,证书包含了服务器的公钥、颁发者(证书颁发机构)等信息
客户端验证证书:浏览器验证证书的有效性、合法性、来源等,校验证书的过程用到了非对称加密和散列算法
- 客户端使用证书颁发机构的公钥对证书进行验证,保证证书的真实性和合法性
- 客户端使用证书中的公钥对服务端的数字签名进行验证,保证服务器的身份和数据的完整性。
- 客户端使用散列算法计算出散列值,和证书种的散列值进行对比,保证证书的完整性
客户端生成对称密钥:客户端生成一个随机数,作为对称密钥
对称密钥加密传输:客户端使用服务器的公钥对随机数进行加密,然后将加密后的信息传输给服务器
服务端获取对称密钥:服务端使用私钥解密客户端发送的对称密钥,得到对称密钥
客户端与服务器使用对称密钥进行通信:服务器与浏览器都使用对称密钥对数据进行加密和解密,以此确保数据传输的安全性。
在数据传输的过程中,也用到了散列算法:
消息摘要:在数据传输过程中,客户端和服务器都使用散列算法计算消息的散列值,对方收到消息后,会对散列值进行比较,确保传输数据的完整性。
总之,HTTPS使用了对称加密算法、非对称加密算法、散列算法来保证数据的安全性和完整性,从而确保了通信双方的身份和数据的安全。
至于具体使用哪些加密算法,取决于SSL/TLS协议的版本以及协商过程中选定的加密套件。在实际的网络环境中,很多加密算法可能会被淘汰,以适应更高安全性的需要。
在我们的日常开发中,也可以借鉴相应的思路,灵活运用各种加密算法,让我们的应用更加安全、更加健壮。
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