浅析Java中对称与非对称加密算法原理与使用

2023-03-21 17:03:05 浅析与非对称

1. 加密概念

密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。以数学为基础，在加密和解密、攻击和防守、矛和盾的对抗过程中交替发展起来。从数学算法的角度看，它包含对称密码算法、非对称密码算法和杂凑算法。

我们先来看下加密中经常提到的一些概念吧！

明文：明文指的是未被加密过的原始数据。
密文：明文被某种加密算法加密之后，会变成密文，从而确保原始数据的安全。密文也可以被解密，得到原始的明文。
密钥：密钥是一种参数，它是在明文转换为密文或将密文转换为明文的算法中输入的参数。密钥分为对称密钥与非对称密钥，分别应用在对称加密和非对称加密上。

2. 对称加密

对称加密又叫做私钥加密，即信息的发送方和接收方使用同一个密钥去加密和解密数据。对称加密的特点是算法公开、加密和解密速度快，适合于对大数据量进行加密。

加密过程如下：明文 + 加密算法 + 私钥 => 密文

解密过程如下：密文 + 解密算法 + 私钥 => 明文

对称加密中用到的密钥叫做私钥，私钥表示个人私有的密钥，即该密钥不能被泄露。其加密过程中的私钥与解密过程中用到的私钥是同一个密钥，这也是称加密之所以称之为“对称”的原因。由于对称加密的算法是公开的，所以一旦私钥被泄露，那么密文就很容易被破解，所以对称加密的缺点是密钥安全管理困难。

如果你不是很理解，就看这个通俗易懂的例子：

甲对乙说，我这有一把锁，以后我们互相传消息，就把消息放盒子里，然后用这个锁锁上再传，这个锁有两把一模一样的钥匙，咱俩一人一把，说完甲把钥匙递给了乙。

3. 非对称加密

非对称加密也叫做公钥加密。非对称加密与对称加密相比，其安全性更好。对称加密的通信双方使用相同的密钥，如果一方的密钥遭泄露，那么整个通信就会被破解。而非对称加密使用一对密钥，即公钥和私钥，且二者成对出现。私钥被自己保存，不能对外泄露。公钥指的是公共的密钥，任何人都可以获得该密钥。用公钥或私钥中的任何一个进行加密，用另一个进行解密。

被公钥加密过的密文只能被私钥解密，过程如下：

明文 + 加密算法 + 公钥 => 密文，密文 + 解密算法 + 私钥 => 明文

由于加密和解密使用了两个不同的密钥，这就是非对称加密“非对称”的原因。非对称加密的缺点是加密和解密花费时间长、速度慢，只适合对少量数据进行加密。

如果你不是很理解，就看这个通俗易懂的例子：

甲对乙说，我这里有A型号锁，对应钥匙A，我给你一大箱子A锁，但是钥匙A不给你，以后你给我发消息就用A锁锁在盒子里给我，然后我自己用钥匙A就能打开看。

乙对甲说，我这里有B型号锁，对应钥匙B，我给你一大箱子B锁，但是钥匙B不给你，以后你给我发消息就用B锁锁在盒子里给我，然后我自己用钥匙B就能打开看。

4. 常见加密算法比较

加密算法分对称加密和非对称加密，其中对称加密算法的加密与解密密钥相同，非对称加密算法的加密密钥与解密密钥不同，此外，还有一类 不需要密钥 的 散列算法。

常见的对称加密算法主要有 DES、3DES、AES 等，常见的非对称算法主要有 RSA、ECC 等，散列算法主要有 SHA-1、MD5 等。

4.1. 散列算法比较

名称	安全性	速度
MD5	中	快
SHA-1	高	慢

4.2. 对称加密算法比较

名称	密钥名称	运行速度	安全性	资源消耗
DES	56位	较快	低	中
3DES	112位或168位	慢	中	高
AES	128、192、256位	快	高	低

4.3. 非对称加密算法比较

名称	成熟度	运行速度	安全性	资源消耗
RSA	高	中	高	中
ECC	高	慢	高	高

对称加密的密钥管理比较难，不适合互联网，一般用于内部系统，安全性只能算中等，但加密速度快好几个数量级 (软件加解密速度至少快 100 倍，每秒可以加解密数 M 比特数据)，适合大数据量的加解密处理。非对称加密的密钥容易管理，安全性也较高，但是加密速度比较慢，适合小数据量加解密或数据签名。

5. 常见加密算法使用

5.1. MD5算法

MD5 用的是哈希函数，它的典型应用是对一段信息产生信息摘要，以防止被篡改。严格来说，MD5 不是一种加密算法而是摘要算法。无论是多长的输入，MD5 都会输出长度为 128bits 的一个串 (通常用 16 进制表示为 32 个字符)。

Java使用案例：

public static final byte[] computeMD5(byte[] content) {
    try {
        MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
        return md5.digest(content);
    } catch (NoSuchAlGorithmException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

5.2. SHA1算法

SHA1 是和 MD5 一样流行的消息摘要算法，然而 SHA1 比 MD5 的安全性更强。对于长度小于 2 ^ 64 位的消息，SHA1 会产生一个 160 位的消息摘要。基于 MD5、SHA1 的信息摘要特性以及不可逆 (一般而言)，可以被应用在检查文件完整性以及数字签名等场景。

Java使用案例：

public static byte[] computeSHA1(byte[] content) {
    try {
        MessageDigest sha1 = MessageDigest.getInstance("SHA1");
        return sha1.digest(content);
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

5.3. HMAC算法

MAC 是密钥相关的哈希运算消息认证码（Hash-based Message Authentication Code），HMAC 运算利用哈希算法 (MD5、SHA1 等)，以一个密钥和一个消息为输入，生成一个消息摘要作为输出。HMAC 发送方和接收方都有的 key 进行计算，而没有这把 key 的第三方，则是无法计算出正确的散列值的，这样就可以防止数据被篡改。

Java使用案例：

package net.pocrd.util;
import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import net.pocrd.define.ConstField;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.SecreTKEy;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Arrays;


@NotThreadSafe
public class HMacHelper {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(HMacHelper.class);
    private Mac mac;

    
    private static final String KEY_MAC = "HmacMD5";
    public HMacHelper(String key) {
        try {
            SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key.getBytes(ConstField.UTF8), KEY_MAC);
            mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
            mac.init(secretKey);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("create hmac helper failed.", e);
        }
    }
    public byte[] sign(byte[] content) {
        return mac.doFinal(content);
    }

    public boolean verify(byte[] signature, byte[] content) {
        try {
            byte[] result = mac.doFinal(content);
            return Arrays.equals(signature, result);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("verify sig failed.", e);
        }
        return false;
    }

}

注意：HMAC 算法实例在 多线程环境下是不安全的。但是需要在多线程访问时，进行同步的辅助类，使用 ThreadLocal 为每个线程缓存一个实例可以避免进行锁操作。

5.4. AES算法

ES、DES、3DES 都是对称的块加密算法，加解密的过程是可逆的。常用的有 AES128、AES192、AES256 (默认安装的 jdk 尚不支持 AES256，需要安装对应的 jce 补丁进行升级 jce1.7，jce1.8)。

DES 加密算法是一种分组密码，以 64 位为分组对数据加密，它的密钥长度是 56 位，加密解密用同一算法。DES 加密算法是对密钥进行保密，而公开算法，包括加密和解密算法。这样，只有掌握了和发送方相同密钥的人才能解读由 DES加密算法加密的密文数据。因此，破译 DES 加密算法实际上就是搜索密钥的编码。对于 56 位长度的密钥来说，如果用穷举法来进行搜索的话，其运算次数为 2 ^ 56 次。3DES 是基于 DES 的对称算法，对一块数据用三个不同的密钥进行三次加密，强度更高。

AES 加密算法是密码学中的高级加密标准，该加密算法采用对称分组密码体制，密钥长度的最少支持为 128 位、 192 位、256 位，分组长度 128 位，算法应易于各种硬件和软件实现。AES 本身就是为了取代 DES 的，AES 具有更好的安全性、效率和灵活性。

Java使用案例：

import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.SecureRandom;

@NotThreadSafe
public class AesHelper {

    private SecretKeySpec keySpec;
    private IvParameterSpec iv;

    public AesHelper(byte[] aesKey, byte[] iv) {
        if (aesKey == null || aesKey.length < 16 || (iv != null && iv.length < 16)) {
            throw new RuntimeException("错误的初始密钥");
        }
        if (iv == null) {
            iv = Md5Util.compute(aesKey);
        }
        keySpec = new SecretKeySpec(aesKey, "AES");
        this.iv = new IvParameterSpec(iv);
    }

    public AesHelper(byte[] aesKey) {
        if (aesKey == null || aesKey.length < 16) {
            throw new RuntimeException("错误的初始密钥");
        }
        keySpec = new SecretKeySpec(aesKey, "AES");
        this.iv = new IvParameterSpec(Md5Util.compute(aesKey));
    }

    public byte[] encrypt(byte[] data) {
        byte[] result = null;
        Cipher cipher = null;
        try {
            cipher = Cipher.getInstance("AES/CFB/NoPadding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, iv);
            result = cipher.doFinal(data);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        return result;
    }

    public byte[] decrypt(byte[] secret) {
        byte[] result = null;
        Cipher cipher = null;
        try {
            cipher = Cipher.getInstance("AES/CFB/NoPadding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, iv);
            result = cipher.doFinal(secret);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        return result;
    }

    public static byte[] randomKey(int size) {
        byte[] result = null;
        try {
            KeyGenerator gen = KeyGenerator.getInstance("AES");
            gen.init(size, new SecureRandom());
            result = gen.generateKey().getEncoded();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        return result;
    }

}

5.5. RSA算法

RSA 加密算法是目前最有影响力的公钥加密算法，并且被普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。RSA 是第一个能同时用于加密和数字签名的算法，它能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击，已被 ISO 推荐为公钥数据加密标准。

RSA 加密算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。

Java使用案例：

import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import javax.crypto.Cipher;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.Security;
import java.security.Signature;
import java.security.interfaces.RSAPrivateCrtKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

@NotThreadSafe
public class RsaHelper {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RsaHelper.class);
    private RSAPublicKey publicKey;
    private RSAPrivateCrtKey privateKey;

    static {
        // 使用bouncycastle作为加密算法实现
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider()); 
    }

    public RsaHelper(String publicKey, String privateKey) {
        this(Base64Util.decode(publicKey), Base64Util.decode(privateKey));
    }

    public RsaHelper(byte[] publicKey, byte[] privateKey) {
        try {
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
            if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
                this.publicKey = (RSAPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
            }
            if (privateKey != null && privateKey.length > 0) {
                this.privateKey = (RSAPrivateCrtKey)keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));
            }
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public RsaHelper(String publicKey) {
        this(Base64Util.decode(publicKey));
    }

    public RsaHelper(byte[] publicKey) {
        try {
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
            if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
                this.publicKey = (RSAPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
            }
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public byte[] encrypt(byte[] content) {
        if (publicKey == null) {
            throw new RuntimeException("public key is null.");
        }

        if (content == null) {
            return null;
        }

        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
            int size = publicKey.getModulus().bitLength() / 8 - 11;
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((content.length + size - 1) / size * (size + 11));
            int left = 0;
            for (int i = 0; i < content.length; ) {
                left = content.length - i;
                if (left > size) {
                    cipher.update(content, i, size);
                    i += size;
                } else {
                    cipher.update(content, i, left);
                    i += left;
                }
                baos.write(cipher.doFinal());
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public byte[] decrypt(byte[] secret) {
        if (privateKey == null) {
            throw new RuntimeException("private key is null.");
        }

        if (secret == null) {
            return null;
        }

        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
            int size = privateKey.getModulus().bitLength() / 8;
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((secret.length + size - 12) / (size - 11) * size);
            int left = 0;
            for (int i = 0; i < secret.length; ) {
                left = secret.length - i;
                if (left > size) {
                    cipher.update(secret, i, size);
                    i += size;
                } else {
                    cipher.update(secret, i, left);
                    i += left;
                }
                baos.write(cipher.doFinal());
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            logger.error("rsa decrypt failed.", e);
        }
        return null;
    }

    public byte[] sign(byte[] content) {
        if (privateKey == null) {
            throw new RuntimeException("private key is null.");
        }
        if (content == null) {
            return null;
        }
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance("SHA1WithRSA");
            signature.initSign(privateKey);
            signature.update(content);
            return signature.sign();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public boolean verify(byte[] sign, byte[] content) {
        if (publicKey == null) {
            throw new RuntimeException("public key is null.");
        }
        if (sign == null || content == null) {
            return false;
        }
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance("SHA1WithRSA");
            signature.initVerify(publicKey);
            signature.update(content);
            return signature.verify(sign);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("rsa verify failed.", e);
        }
        return false;
    }
}

5.6. ECC算法

ECC 也是一种非对称加密算法，主要优势是在某些情况下，它比其他的方法使用更小的密钥，比如 RSA 加密算法，提供相当的或更高等级的安全级别。不过一个缺点是加密和解密操作的实现比其他机制时间长 (相比 RSA 算法，该算法对 CPU 消耗严重)。

Java使用案例：

import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.ec.BCECPrivateKey;
import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.ec.BCECPublicKey;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import javax.crypto.Cipher;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.Security;
import java.security.Signature;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

@NotThreadSafe
public class EccHelper {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(EccHelper.class);
    private static final int SIZE = 4096;
    private BCECPublicKey  publicKey;
    private BCECPrivateKey privateKey;

    static {
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    }

    public EccHelper(String publicKey, String privateKey) {
        this(Base64Util.decode(publicKey), Base64Util.decode(privateKey));
    }

    public EccHelper(byte[] publicKey, byte[] privateKey) {
        try {
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC", "BC");
            if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
                this.publicKey = (BCECPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
            }
            if (privateKey != null && privateKey.length > 0) {
                this.privateKey = (BCECPrivateKey)keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));
            }
        } catch (ClassCastException e) {
            throw new RuntimeException("", e);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public EccHelper(String publicKey) {
        this(Base64Util.decode(publicKey));
    }

    public EccHelper(byte[] publicKey) {
        try {
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC", "BC");
            if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
                this.publicKey = (BCECPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
            }
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public byte[] encrypt(byte[] content) {
        if (publicKey == null) {
            throw new RuntimeException("public key is null.");
        }
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("ECIES", "BC");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
            int size = SIZE;
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((content.length + size - 1) / size * (size + 45));
            int left = 0;
            for (int i = 0; i < content.length; ) {
                left = content.length - i;
                if (left > size) {
                    cipher.update(content, i, size);
                    i += size;
                } else {
                    cipher.update(content, i, left);
                    i += left;
                }
                baos.write(cipher.doFinal());
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public byte[] decrypt(byte[] secret) {
        if (privateKey == null) {
            throw new RuntimeException("private key is null.");
        }
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("ECIES", "BC");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
            int size = SIZE + 45;
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((secret.length + size + 44) / (size + 45) * size);
            int left = 0;
            for (int i = 0; i < secret.length; ) {
                left = secret.length - i;
                if (left > size) {
                    cipher.update(secret, i, size);
                    i += size;
                } else {
                    cipher.update(secret, i, left);
                    i += left;
                }
                baos.write(cipher.doFinal());
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            logger.error("ecc decrypt failed.", e);
        }
        return null;
    }

    public byte[] sign(byte[] content) {
        if (privateKey == null) {
            throw new RuntimeException("private key is null.");
        }
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withECDSA", "BC");
            signature.initSign(privateKey);
            signature.update(content);
            return signature.sign();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public boolean verify(byte[] sign, byte[] content) {
        if (publicKey == null) {
            throw new RuntimeException("public key is null.");
        }
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withECDSA", "BC");
            signature.initVerify(publicKey);
            signature.update(content);
            return signature.verify(sign);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("ecc verify failed.", e);
        }
        return false;
    }

}

以上就是浅析Java中对称与非对称加密算法原理与使用的详细内容，更多关于Java对称与非对称加密的资料请关注其它相关文章！

相关文章

浅析Java中对称与非对称加密算法原理与使用

目录

1. 加密概念

2. 对称加密

3. 非对称加密

4. 常见加密算法比较

4.1. 散列算法比较

4.2. 对称加密算法比较

4.3. 非对称加密算法比较

5. 常见加密算法使用

5.1. MD5算法

5.2. SHA1算法

5.3. HMAC算法

5.4. AES算法

5.5. RSA算法

5.6. ECC算法