Java加密算法的应用与实现（MD5、SHA、DES、3DES、AES、RSA、ECC）

文章目录

  • 一、散列加密算法
    • 1、概述
    • 2、常见算法（MD5、SHA）
    • 3、应用
    • 4、Java实现
  • 二、对称加密算法
    • 1、概述
    • 2、常见算法（DES、3DES、AES）
    • 3、应用
    • 4、Java实现AES
  • 三、非对称加密算法
    • 1、概述
    • 2、常见算法（RSA、ElGamal、Rabin、ECC）
    • 3、应用
    • 4、Java实现RSA

一、散列加密算法

1、概述

严格来讲这不算是一种加密，而应该叫做信息摘要算法。该算法使用散列函数把消息或数据压缩成摘要，使得数据量变小，将数据的格式固定下来。通过数据打乱混合，重新创建一个叫做 散列值。

2、常见算法（MD5、SHA）

MD5、SHA（128、256）系列

名称安全性速度
SHA-1高慢
MD5中快

3、应用

常用于密码存储，或文件指纹校验。

网站用户注册后，密码经过MD5加密后的值，存储进DB。再次登录时，将用户输入的密码按同样的方式加密，与数据库中的密文比对。这样即使数据库被破解，或者开发人员可见，基于MD5的不可逆性，仍然不知道密码是什么。

其次是文件校验场景。例如从某站下载的文件（尤其是大文件，比如系统镜像iso），官方网站都会放置一个签名（可能是MD5，或者SHA），当用户拿到文件后，可以本地执行散列算法与官网签名比对是否一致，来判断文件是否被篡改。如ubuntu20.04的镜像：
在这里插入图片描述

4、Java实现

引包：

<dependency>
  <groupId>commons-codec</groupId>
  <artifactId>commons-codec</artifactId>
  <version>1.14</version>
</dependency>

import org.apache.commons.codec.digest.DigestUtils;
import java.math.BigInteger;
import java.security.MessageDigest;

public class Hash {

    /**
     * jdk的security实现md5
     * 也可以借助commons-codec包
     */
    public static String md5(String src) {
        byte[] pwd = null;
        try {
            pwd = MessageDigest.getInstance("md5").digest(src.getBytes("utf-8"));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        String code = new BigInteger(1, pwd).toString(16);
        for (int i = 0; i < 32 - code.length(); i++) {
            code = "0" + code;
        }
        return code;
    }
    public static String commonsMd5(String src){
        return DigestUtils.md5Hex(src);
    }

    /**
     * jdk实现sha算法
     * 也可以借助commons-codec包
     */
    public static String sha(String src) throws Exception {
        MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance("sha");
        byte[] shaByte = sha.digest(src.getBytes("utf-8"));
        StringBuffer code = new StringBuffer();
        for (int i = 0; i < shaByte.length; i++) {
            int val = ((int) shaByte[i]) & 0xff;
            if (val < 16) {
                code.append("0");
            }
            code.append(Integer.toHexString(val));
        }
        return code.toString();
    }
    public static String commonsSha(String src) throws Exception {
        return DigestUtils.sha1Hex(src);
    }


    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String name = "你好世界，helloworld";
        System.out.println(name);
        System.out.println(md5(name));
        System.out.println(commonsMd5(name));
        System.out.println(sha(name));
        System.out.println(commonsSha(name));
    }
}

jdk与commons均生成了相同的散列值
多次运行，依然生成固定值
commons-codec还有很多可用方法，如：sha256，sha512…

public class HexUtil {
    
    /**
     * 将普通字符串用16进制描述
     * 如"WAZX-B55SY6-S6DT5" 描述为："57415a582d4235355359362d5336445435"
     * */
    public static String strToHex(String str){
         byte[] bytes = str.getBytes(); 
         return bytesToHex(bytes);
    }
    
    /**将16进制描述的字符串还原为普通字符串
     * 如"57415a582d4235355359362d5336445435" 还原为："WAZX-B55SY6-S6DT5"
     * */
    public static String hexToStr(String hex){
        byte[] bytes=hexToBytes(hex);
        return new String(bytes);
    }
    
    
    /**16进制转byte[]*/
    public static byte[] hexToBytes(String hex){
        int length = hex.length() / 2;
        byte[] bytes=new byte[length];
        for(int i=0;i<length;i++){
            String tempStr=hex.substring(2*i, 2*i+2);//byte:8bit=4bit+4bit=十六进制位+十六进制位
            bytes[i]=(byte) Integer.parseInt(tempStr, 16);
        }
        return bytes;
    }
    
    /**byte[]转16进制*/
    public static String bytesToHex(byte[] bytes){
        StringBuilder sb=new StringBuilder();
        for(int i=0;i<bytes.length;i++){
            int tempI=bytes[i] & 0xFF;//byte:8bit,int:32bit;高位相与.
            String str = Integer.toHexString(tempI);
            if(str.length()<2){
                sb.append(0).append(str);//长度不足两位，补齐：如16进制的d,用0d表示。
            }else{
                sb.append(str);
            }
        }
        return sb.toString();
    }

}

二、对称加密算法

1、概述

加密与解密用的都是同一个秘钥，性能比非对称加密高很多。

2、常见算法（DES、3DES、AES）

常见的对称加密算法有 DES、3DES、AES。

DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收费站等领域被广泛应用，以此来实现关键数据的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密传输，IC卡与POS间的双向认证、金融交易数据包的MAC校验等。

3DES是DES加密算法的一种模式，是DES的一个更安全的变形。从DES向AES的过渡算法。

AES，是下一代的加密算法标准，速度快，安全级别更高。

名称密钥名称运行速度安全性资源消耗
DES56位较快低中
3DES112位或168位慢中高
AES128、192、256位快高低

3、应用

常用于对效率要求较高的实时数据加密通信。

4、Java实现AES

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.Key;

public class AES {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //生成KEY
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGenerator.init(128);
        //key转换
        Key key = new SecretKeySpec(keyGenerator.generateKey().getEncoded(), "AES");

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");

        String src = "helloworld你好世界";
        System.out.println("明文："+src);
        //加密
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
        byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
        System.out.println("加密：" + Base64.encodeBase64String(result));

        //解密
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        result = cipher.doFinal(result);
        System.out.println("解密：" + new String(result));
    }
}


import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import javax.crypto.BadPaddingException;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.io.IOException;
import java.net.URLDecoder;
import java.net.URLEncoder;
import java.security.InvalidAlgorithmParameterException;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class AESUtil {
    private static final String IV_STRING = "sdf4ddfsFD86Vdf2";
    private static final String encoding = "UTF-8";

    public static String encryptAES(String content, String key) throws Exception {
        SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key.getBytes(encoding), "AES");
        byte[] initParam = IV_STRING.getBytes(encoding);
        IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(initParam);
        // 指定加密的算法、工作模式和填充方式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec, ivParameterSpec);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(content.getBytes(encoding));
        // 同样对加密后数据进行 base64 编码
        String base64 = new Base64().encodeToString(encryptedBytes);
        return URLEncoder.encode(base64, encoding);
    }

    public static String decryptAES(String content, String key)
            throws InvalidKeyException, NoSuchAlgorithmException,
            NoSuchPaddingException, InvalidAlgorithmParameterException,
            IllegalBlockSizeException, BadPaddingException, IOException {
        //URL解码
        content = URLDecoder.decode(content, encoding);
        // base64 解码
        byte[] encryptedBytes = Base64.decodeBase64(content);
        byte[] enCodeFormat = key.getBytes(encoding);
        SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES");
        byte[] initParam = IV_STRING.getBytes(encoding);
        IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(initParam);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, ivParameterSpec);
        byte[] result = cipher.doFinal(encryptedBytes);
        return new String(result, encoding);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
    /*json.put("name", "张三");
    json.put("cityCode", "100001");
    json.put("cityName", "北京市");
    json.put("mobileNo", "13111111111");*/
        String content = "你好世界";
        System.out.println("加密前：" + content);
        String key = "djadiKJdj49dFJLd";
        System.out.println("密钥：" + key);
        String encrypt = encryptAES(content, key);
        System.out.println("加密后：" + encrypt);
        String decrypt = decryptAES(encrypt, key);
        System.out.println("解密后：" + decrypt);
    }
}

三、非对称加密算法

1、概述

非对称即加密与解密不是同一把钥匙，而是分成公钥和私钥。私钥在个人手里，公钥公开。这一对钥匙一个用于加密，另一个用于解密。使用其中一个加密后，则原始明文只能用对应的另一个密钥解密，即使最初用于加密的密钥也不能用作解密。正是因为这种特性，所以称为非对称加密。

2、常见算法（RSA、ElGamal、Rabin、ECC）

RSA、ElGamal、背包算法、Rabin（RSA的特例）、迪菲－赫尔曼密钥交换协议中的公钥加密算法、椭圆曲线加密算法（英语：Elliptic Curve Cryptography, ECC）。使用最广泛的是RSA算法（发明者Rivest、Shmir和Adleman姓氏首字母缩写）

名称成熟度安全性运算速度资源消耗
RSA高高中中
ECC高高慢高

3、应用

最常见的，两点：https和数字签名。

严格意义上讲，https并非所有请求都使用非对称。基于性能考虑，https先使用非对称约定一个key，后期使用该key进行对称加密和数据传输。
在这里插入图片描述
数字签名则是用于验证报文是否为服务器发出的，用于防伪和认证。过程如下：

签发：
服务器外发布公钥，私钥保密
服务器对消息M计算摘要（如MD5等公开算法），得到摘要D
服务器使用私钥对D进行签名，得到签名S
将M和S一起发给客户

验证：
客户端对M使用同一摘要算法计算摘要，得到摘要D
使用服务器公钥对S进行解密，得到摘要D’
如果D和D’相同，那么证明M确实是服务器发出的

4、Java实现RSA

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

import javax.crypto.Cipher;
import java.security.*;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

public class RSAUtil {
    static String privKey ;
    static String publicKey;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //生成公钥和私钥
        genKeyPair();
        //加密字符串
        String message = "helloworld";
        System.out.println("明文："+message);
        System.out.println("随机公钥为:" + publicKey);
        System.out.println("随机私钥为:" + privKey);

        String messageEn = encrypt(message,publicKey);
        System.out.println("公钥加密:" + messageEn);
        String messageDe = decrypt(messageEn,privKey);
        System.out.println("私钥解密:" + messageDe);

    }

    /**
     * 随机生成密钥对
     */
    public static void genKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException {
        // KeyPairGenerator类用于生成公钥和私钥对，基于RSA算法生成对象
        KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        // 初始化密钥对生成器，密钥大小为96-1024位
        keyPairGen.initialize(1024,new SecureRandom());
        // 生成一个密钥对，保存在keyPair中
        KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();

        privKey = new String(Base64.encodeBase64((keyPair.getPrivate().getEncoded())));
        publicKey = new String(Base64.encodeBase64(keyPair.getPublic().getEncoded()));

    }
    /**
     * RSA公钥加密
     */
    public static String encrypt( String str, String publicKey ) throws Exception{
        //base64编码的公钥
        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;
    }

    /**
     * RSA私钥解密
     */
    public static String decrypt(String str, String privateKey) throws Exception{
        //64位解码加密后的字符串
        byte[] inputByte = Base64.decodeBase64(str.getBytes("UTF-8"));
        byte[] decoded = Base64.decodeBase64(privateKey);
        RSAPrivateKey priKey = (RSAPrivateKey) KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(decoded));
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey);
        return new String(cipher.doFinal(inputByte));
    }

}

加密解密实现完整还原
必须用另一把钥匙解密，如果用公钥加密后再使用公钥解密，则失败

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