Java中常用的加密方式（二）

来源：https://blog.csdn.net/qq_41570658/article/details/107694782

1、分类

按加密算法是否需要key被分为两类：

不基于key的有: Base64算法、MD5
基于key的有: 对称加密算法、非对称加密算法、数字签名算法、数字证书、HMAC、RC4(对称加密)

按加密算法是否可逆被分为两类：

单向加密算法(不可解密)：MD5、SHA、HMAC
非单项加密算法(可解密)：BASE64、对称加密算法、非对称加密算法、数字签名算法、数字证书

2、算法介绍

2.1.对称加密

对称加密是最快速、最简单的一种加密方式，加密（encryption）与解密（decryption）用的是同样的密钥（secret key）,对称加密通常使用的是相对较小的密钥，一般小于256 bit。因为密钥越大，加密越强，但加密与解密的过程越慢。
DES以8字节为一个块进行加密，一个数据块一个数据块的加密，一个8字节的明文加密后的密文也是8字节。如果明文长度不为8字节的整数倍，添加值为0的字节凑满8字节整数倍。所以加密后的密文长度一定为8字节的整数倍
下面举个例子（DES）：

import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.Key;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.spec.InvalidKeySpecException;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESKeySpec;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;

public class DESDemo {
// 算法名称
public static final String KEY_ALGORITHM = "DES";
// 算法名称/加密模式/填充方式
// DES共有四种工作模式-->>ECB：电子密码本模式、CBC：加密分组链接模式、CFB：加密反馈模式、OFB：输出反馈模式
public static final String CIPHER_ALGORITHM = "DES/ECB/NoPadding";

/**
 *
 * 生成密钥key对象
 *
 * @param KeyStr
 *            密钥字符串
 * @return 密钥对象
 * @throws InvalidKeyException
 * @throws NoSuchAlgorithmException
 * @throws InvalidKeySpecException
 * @throws Exception
 */
private static SecretKey keyGenerator(String keyStr) throws Exception {
    byte input[] = HexString2Bytes(keyStr);
    DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(input);
    // 创建一个密匙工厂，然后用它把DESKeySpec转换成
    SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
    SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);
    return securekey;
}

private static int parse(char c) {
    if (c >= 'a')
        return (c - 'a' + 10) & 0x0f;
    if (c >= 'A')
        return (c - 'A' + 10) & 0x0f;
    return (c - '0') & 0x0f;
}

// 从十六进制字符串到字节数组转换
public static byte[] HexString2Bytes(String hexstr) {
    byte[] b = new byte[hexstr.length() / 2];
    int j = 0;
    for (int i = 0; i < b.length; i++) {
        char c0 = hexstr.charAt(j++);
        char c1 = hexstr.charAt(j++);
        b[i] = (byte) ((parse(c0) << 4) | parse(c1));
    }
    return b;
}

/**
 * 加密数据
 *
 * @param data
 *            待加密数据
 * @param key
 *            密钥
 * @return 加密后的数据
 */
public static String encrypt(String data, String key) throws Exception {
    Key deskey = keyGenerator(key);
    // 实例化Cipher对象，它用于完成实际的加密操作
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
    SecureRandom random = new SecureRandom();
    // 初始化Cipher对象，设置为加密模式
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey, random);
    byte[] results = cipher.doFinal(data.getBytes());
    // 该部分是为了与加解密在线测试网站（http://tripledes.online-domain-tools.com/）的十六进制结果进行核对
    for (int i = 0; i < results.length; i++) {
        System.out.print(results[i] + " ");
    }
    System.out.println();
    // 执行加密操作。加密后的结果通常都会用Base64编码进行传输
    return Base64.encodeBase64String(results);
}

/**
 * 解密数据
 *
 * @param data
 *            待解密数据
 * @param key
 *            密钥
 * @return 解密后的数据
 */
public static String decrypt(String data, String key) throws Exception {
    Key deskey = keyGenerator(key);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
    // 初始化Cipher对象，设置为解密模式
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey);
    // 执行解密操作
    return new String(cipher.doFinal(Base64.decodeBase64(data)));
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    String source = "helloittx";
    System.out.println("原文: " + source);
    String key = "A1B2C3D4E5F60708";
    String encryptData = encrypt(source, key);
    System.out.println("加密后: " + encryptData);
    String decryptData = decrypt(encryptData, key);
    System.out.println("解密后: " + decryptData);
}

}

2.2非对称加密

非对称加密为数据的加密与解密提供了一个非常安全的方法，它使用了一对密钥，公钥（public key）和私钥（private key）。私钥只能由一方安全保管，不能外泄，而公钥则可以发给任何请求它的人。
公钥加密，私钥解密
私钥加密，公钥解密
下面举个例子（RSA算法）：

目前最常用的非对称加密算法是RSA算法，是Rivest, Shamir, 和Adleman于1978年发明，他们那时都是在MIT。请看下面的例子：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.math.BigInteger;
import java.security.Key;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.spec.RSAPrivateCrtKeySpec;
import java.security.spec.RSAPublicKeySpec;

import javax.crypto.Cipher;

import com.lxh.rsatest.HexUtil;

import Decoder.BASE64Decoder;
import Decoder.BASE64Encoder;

public class RSAEncrypt {
/** 指定加密算法为DESede */
private static String ALGORITHM = "RSA";
/** 指定key的大小 */
private static int KEYSIZE = 1024;
/** 指定公钥存放文件 */
private static String PUBLIC_KEY_FILE = "public.keystore";
/** 指定私钥存放文件 */
private static String PRIVATE_KEY_FILE = "private.keystore";

/**
 * 生成密钥对
 */
private static void generateKeyPair() throws Exception {
    /** RSA算法要求有一个可信任的随机数源 */
    SecureRandom sr = new SecureRandom();
    /** 为RSA算法创建一个KeyPairGenerator对象 */
    KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
    /** 利用上面的随机数据源初始化这个KeyPairGenerator对象 */
    kpg.initialize(KEYSIZE, sr);
    /** 生成密匙对 */
    KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();
    /** 得到公钥 */
    Key publicKey = kp.getPublic();
    /** 得到私钥 */
    Key privateKey = kp.getPrivate();
    /** 用对象流将生成的密钥写入文件 */
    ObjectOutputStream oos1 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(PUBLIC_KEY_FILE));
    ObjectOutputStream oos2 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(PRIVATE_KEY_FILE));
    oos1.writeObject(publicKey);
    oos2.writeObject(privateKey);
    /** 清空缓存，关闭文件输出流 */
    oos1.close();
    oos2.close();
}

/**
 * 生成密钥对字符串
 */
private static void generateKeyPairString() throws Exception {
    /** RSA算法要求有一个可信任的随机数源 */
    SecureRandom sr = new SecureRandom();
    /** 为RSA算法创建一个KeyPairGenerator对象 */
    KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
    /** 利用上面的随机数据源初始化这个KeyPairGenerator对象 */
    kpg.initialize(KEYSIZE, sr);
    /** 生成密匙对 */
    KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();
    /** 得到公钥 */
    Key publicKey = kp.getPublic();
    /** 得到私钥 */
    Key privateKey = kp.getPrivate();
    /** 用字符串将生成的密钥写入文件 */

    String algorithm = publicKey.getAlgorithm(); // 获取算法
    KeyFactory keyFact = KeyFactory.getInstance(algorithm);
    BigInteger prime = null;
    BigInteger exponent = null;

    RSAPublicKeySpec keySpec = (RSAPublicKeySpec) keyFact.getKeySpec(publicKey, RSAPublicKeySpec.class);

    prime = keySpec.getModulus();
    exponent = keySpec.getPublicExponent();
    System.out.println("公钥模量：" + HexUtil.bytes2Hex(prime.toByteArray()));
    System.out.println("公钥指数:" + HexUtil.bytes2Hex(exponent.toByteArray()));

    System.out.println(privateKey.getAlgorithm());
    RSAPrivateCrtKeySpec privateKeySpec = (RSAPrivateCrtKeySpec) keyFact.getKeySpec(privateKey,
            RSAPrivateCrtKeySpec.class);
    BigInteger privateModulus = privateKeySpec.getModulus();
    BigInteger privateExponent = privateKeySpec.getPrivateExponent();

    System.out.println("私钥模量：" + HexUtil.bytes2Hex(privateModulus.toByteArray()));
    System.out.println("私钥指数:" + HexUtil.bytes2Hex(privateExponent.toByteArray()));

}

/**
 * 加密方法 source： 源数据
 */
public static String encrypt(String source) throws Exception {
    generateKeyPair();
    /** 将文件中的公钥对象读出 */
    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(PUBLIC_KEY_FILE));
    Key key = (Key) ois.readObject();
    ois.close();

    String algorithm = key.getAlgorithm(); // 获取算法
    KeyFactory keyFact = KeyFactory.getInstance(algorithm);
    BigInteger prime = null;
    BigInteger exponent = null;
    if ("RSA".equals(algorithm)) { // 如果是RSA加密
        RSAPublicKeySpec keySpec = (RSAPublicKeySpec) keyFact.getKeySpec(key, RSAPublicKeySpec.class);
        prime = keySpec.getModulus();
        exponent = keySpec.getPublicExponent();

    }

    /** 得到Cipher对象来实现对源数据的RSA加密 */
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
    byte[] b = source.getBytes();
    /** 执行加密操作 */
    byte[] b1 = cipher.doFinal(b);
    BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
    return encoder.encode(b1);
}

/**
 * 解密算法 cryptograph:密文
 */
public static String decrypt(String cryptograph) throws Exception {
    /** 将文件中的私钥对象读出 */
    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(PRIVATE_KEY_FILE));
    Key key = (Key) ois.readObject();

    String algorithm = key.getAlgorithm(); // 获取算法
    KeyFactory keyFact = KeyFactory.getInstance(algorithm);
    RSAPrivateCrtKeySpec privateKeySpec = (RSAPrivateCrtKeySpec) keyFact.getKeySpec(key,
            RSAPrivateCrtKeySpec.class);
    BigInteger privateModulus = privateKeySpec.getModulus();
    BigInteger privateExponent = privateKeySpec.getPrivateExponent();


    /** 得到Cipher对象对已用公钥加密的数据进行RSA解密 */
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
    BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder();

    byte[] b1 = decoder.decodeBuffer(cryptograph);
    /** 执行解密操作 */
    byte[] b = cipher.doFinal(b1);
    return new String(b);
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    generateKeyPair(); //生成文件形式公钥和私钥
    //generateKeyPairString();//生成字符串形式公钥和私钥

    String source = "非对称加密RSA";// 要加密的字符串

    String cryptograph = encrypt(source);// 生成的密文
    String hexCrypt = HexUtil.bytes2Hex(cryptograph.getBytes(), false);
    System.out.println("生成的密文--->" + hexCrypt);

    String target = decrypt(HexUtil.hex2String(hexCrypt));// 解密密文
    System.out.println("解密密文--->" + target);

}

}
虽然非对称加密很安全，但是和对称加密比起来，它非常的慢，所以我们还是要用对称加密来传送消息，但对称加密所使用的密钥我们可以通过非对称加密的方式发送出去。
（1） 对称加密加密与解密使用的是同样的密钥，所以速度快，但由于需要将密钥在网络传输，所以安全性不高。
（2） 非对称加密使用了一对密钥，公钥与私钥，所以安全性高，但加密与解密速度慢。
（3） 解决的办法是将对称加密的密钥使用非对称加密的公钥进行加密，然后发送出去，接收方使用私钥进行解密得到对称加密的密钥，然后双方可以使用对称加密来进行沟通。

3.Base64编码

Base 64 Encoding有什么用？举个简单的例子，你使用SMTP协议 （Simple Mail Transfer Protocol 简单邮件传输协议）来发送邮件。因为这个协议是基于文本的协议，所以如果邮件中包含一幅图片，我们知道图片的存储格式是二进制数据（binary data），而非文本格式，我们必须将二进制的数据编码成文本格式，这时候Base 64 Encoding就派上用场了。

public void testJDKBase64(){
String encoderStr = java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(s.getBytes());
System.out.println("encode :"+encoderStr);

String decodeStr = new String(java.util.Base64.getDecoder().decode(encoderStr));
System.out.println("decodeStr :"+decodeStr);
}

public void testCodecBase64(){
String encoderStr = org.apache.commons.codec.binary.Base64.encodeBase64String(s.getBytes());
System.out.println("encode :"+encoderStr);

String decodeStr = new String(org.apache.commons.codec.binary.Base64.decodeBase64(encoderStr));
System.out.println("decodeStr :"+decodeStr);

}

4.MD5加密

Message Digest Algorithm MD5（中文名为消息摘要算法第五版）为计算机安全领域广泛使用的一种散列函数，用以提供消息的完整性保护。该算法的文件号为RFC 1321（R.Rivest,MIT Laboratory for Computer Science and RSA Data Security Inc. April 1992）.

MD5的全称是Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法），在90年代初由MIT Laboratory for Computer Science和RSA Data Security Inc的Ronald L. Rivest开发出来，经MD2、MD3和MD4发展而来。

MD5用于确保信息传输完整一致。是计算机广泛使用的杂凑算法之一（又译摘要算法、哈希算法），主流编程语言普遍已有MD5实现。将数据（如汉字）运算为另一固定长度值，是杂凑算法的基础原理，MD5的前身有MD2、MD3和MD4。

MD5的作用是让大容量信息在用数字签名软件签署私人密钥前被”压缩”成一种保密的格式（就是把一个任意长度的字节串变换成一定长的十六进制数字串）。

import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

/**
 * Java消息摘要算法 MD5 工具类,其实其他摘要算法的实现也类似
 */
public class MD5Util {
    /**
     * 对文本执行 md5 摘要加密, 此算法与 mysql,JavaScript生成的md5摘要进行过      一致性对比.
     * @param plainText
     * @return 返回值中的字母为小写
    */
public static String md5(String plainText) {
    if (null == plainText) {
        plainText = "";
    }
    String MD5Str = "";
    try {
        // JDK 6 支持以下6种消息摘要算法，不区分大小写
        // md5,sha(sha-1),md2,sha-256,sha-384,sha-512
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        md.update(plainText.getBytes());
        byte b[] = md.digest();

        int i;

        StringBuilder builder = new StringBuilder(32);
        for (int offset = 0; offset < b.length; offset++) {
            i = b[offset];
            if (i < 0)
                i += 256;
            if (i < 16)
                builder.append("0");
            builder.append(Integer.toHexString(i));
        }
        MD5Str = builder.toString();
        // LogUtil.println("result: " + buf.toString());// 32位的加密
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return MD5Str;
}
// 一个简版测试
public static void main(String[] args) {
    String m1 = md5("1");
    String m2 = md5(m1);
    /* 输出为
     * m1=c4ca4238a0b923820dcc509a6f75849b
     * m2=28c8edde3d61a0411511d3b1866f0636
     */
    System.out.println("m1="+m1);
    System.out.println("m2="+m2);
}

}
通常我们不直接使用上述MD5加密。通常将MD5产生的字节数组交给Base64再加密一把，得到相应的字符串。

5.数字签名算法

签名：就有安全性，抗否认性
数字签名：带有密钥（公钥，私钥）的消息摘要算法
作用：

  1. 验证数据的完整性
  2. 认证数据来源
  3. 抗否认

数字签名遵循：私钥签名，公钥验证
常用的数字签名算法：RSA，DSA，ECDSA

RSA介绍：

是经典算法，是目前为止使用最广泛的数字签名算法。

RSA数字签名算法的密钥实现与RSA的加密算法是一样的，算法的名称都叫RSA。密钥的产生和转换都是一样的。

RSA数字签名算法主要包括MD和SHA两类。

  import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.Signature;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

import org.apache.commons.codec.binary.Hex;

public class RSATest {
    public static final String src = "hello world";

    public static void main(String[] args) {
       jdkRSA();

    }

/**
 * 说明： 用java的jdk里面相关方法实现rsa的签名及签名验证
 */
public static void jdkRSA() {
    try {
        // 1.初始化密钥
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator
                .getInstance("RSA");
        //设置KEY的长度
        keyPairGenerator.initialize(512);
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        //得到公钥
        RSAPublicKey rsaPublicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
        //得到私钥
        RSAPrivateKey rsaPrivateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();

        // 2.进行签名
        //用私钥进行签名
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(
                rsaPrivateKey.getEncoded());
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        //构造一个privateKey
        PrivateKey privateKey = keyFactory
                .generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
        //声明签名的对象
        Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
        signature.initSign(privateKey);
        signature.update(src.getBytes());
        //进行签名
        byte[] result = signature.sign();
        System.out.println("jdk rsa sign:" + Hex.encodeHexString(result));

        // 3.验证签名
        //用公钥进行验证签名
        X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(
                rsaPublicKey.getEncoded());
        keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        //构造一个publicKey
        PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(x509EncodedKeySpec);
        //声明签名对象
        signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
        signature.initVerify(publicKey);
        signature.update(src.getBytes());
        //验证签名
        boolean bool = signature.verify(result);
        System.out.println("jdk rsa verify:" + bool);
    } catch (Exception e) {
        System.out.println(e.toString());
    }

}

}

6、应用场景

Base64应用场景：图片转码(应用于邮件，img标签，http加密)
MD5应用场景：密码加密、imei加密、文件校验
非对称加密：电商订单付款、银行相关业务

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