对称加密和非对称加密
一 非对称加密
非对称加密和解密花费的时间长
非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥（publickey）和私有密钥（privatekey）,一般使用公钥进行加密，使用私钥进行解密。
常见的非对称加密算法有：RSA、ECC（移动设备用）、Diffie-Hellman、El Gamal、DSA（数字签名用）
非对称加密相比对称加密的显著优点在于，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。
Java标准库提供了RSA算法的实现，示例代码如下：
public class TestDemo { 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: Secretkey mctao = new Secretkey("MCTao"); // 用MCTao的公钥加密: byte[] pk = mctao.getPublicKey(); System.out.println(String.format("public key: %x", new BigInteger(1, pk))); byte[] encrypted = mctao.encrypt(plain); System.out.println(String.format("encrypted: %x", new BigInteger(1, encrypted))); // 用MCTao的私钥解密: byte[] sk = mctao.getPrivateKey(); System.out.println(String.format("private key: %x", new BigInteger(1, sk))); byte[] decode = mctao.decrypt(encrypted); System.out.println(new String(decode, "UTF-8")); } } class Secretkey { String name; // 私钥: PrivateKey sk; // 公钥: PublicKey pk; public Secretkey(String name) throws GeneralSecurityException { super(); 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); 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); return cipher.doFinal(input); } }
RSA的公钥和私钥都可以通过getEncoded()方法获得以byte[]表示的二进制数据，并根据需要保存到文件中。要从byte[]数组恢复公钥或私钥，可以这么写：
byte[] pkData = ... byte[] skData = ... KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("RSA"); // 恢复公钥: X509EncodedKeySpec pkSpec = new X509EncodedKeySpec(pkData); PublicKey pk = kf.generatePublic(pkSpec); // 恢复私钥: PKCS8EncodedKeySpec skSpec = new PKCS8EncodedKeySpec(skData); PrivateKey sk = kf.generatePrivate(skSpec);
以RSA算法为例，它的密钥有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。
如果修改待加密的byte[]数据的大小，可以发现，使用512bit的RSA加密时，明文长度不能超过53字节，使用1024bit的RSA加密时，明文长度不能超过117字节，这也是为什么使用RSA的时候，总是配合AES一起使用，即用AES加密任意长度的明文，用RSA加密AES口令。
此外，只使用非对称加密算法不能防止中间人攻击。
二 对称加密
算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高,加密和解密使用相同的密钥加密
对称密钥的管理和分发工作是一件具有潜在危险的和烦琐的过程。
常见的对称加密算法有DES、3DES、Blowfish、IDEA、RC4、RC5、RC6和AES
使用AES加密
AES算法是目前应用最广泛的加密算法。我们先用ECB模式加密并解密：
public class TestDemo { public static void main(String[] args) throws Exception { // 原文: String message = "Hello, world!"; System.out.println("Message: " + message); // 128位密钥 = 16 bytes Key: byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes("UTF-8"); // 加密: byte[] data = message.getBytes("UTF-8"); byte[] encrypted = encrypt(key, data); System.out.println("Encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted)); // 解密: byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted); System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8")); } // 加密: public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException { Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding"); SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES"); cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec); return cipher.doFinal(input); } // 解密: public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException { Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding"); SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES"); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec); return cipher.doFinal(input); } }
Java标准库提供的对称加密接口非常简单，使用时按以下步骤编写代码：
- 根据算法名称/工作模式/填充模式获取Cipher实例；
- 根据算法名称初始化一个SecretKey实例，密钥必须是指定长度；
- 使用SerectKey初始化Cipher实例，并设置加密或解密模式；
- 传入明文或密文，获得密文或明文。
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：
public class TestDemo { public static void main(String[] args) throws Exception { // 原文: String message = "Hello, world!"; System.out.println("Message: " + message); // 256位密钥 = 32 bytes Key: byte[] key = "1234567890abcdef1234567890abcdef".getBytes("UTF-8"); // 加密: byte[] data = message.getBytes("UTF-8"); byte[] encrypted = encrypt(key, data); System.out.println("Encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted)); // 解密: byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted); System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8")); } // 加密: public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException { Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); 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); IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps); 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); System.arraycopy(input, 16, data, 0, data.length); // 解密: Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES"); IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivps); return cipher.doFinal(data); } 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; } }
附: 标准国密算法
国密即国家密码局认定的国产密码算法，即商用密码。
1 SM1对称密码
SM1 算法是分组密码算法，分组长度为128位，密钥长度都为 128 比特，算法安全保密强度及相关软硬件实现性能与 AES 相当，算法不公开，仅以IP核的形式存在于芯片中。
采用该算法已经研制了系列芯片、智能IC卡、智能密码钥匙、加密卡、加密机等安全产品，广泛应用于电子政务、电子商务及国民经济的各个应用领域（包括国家政务通、警务通等重要领域）。
2 SM2椭圆曲线公钥密码算法
SM2算法就是ECC椭圆曲线密码机制，但在签名、密钥交换方面不同于ECDSA、ECDH等国际标准，而是采取了更为安全的机制。另外，SM2推荐了一条256位的曲线作为标准曲线。
SM2标准包括总则，数字签名算法，密钥交换协议，公钥加密算法四个部分，并在每个部分的附录详细说明了实现的相关细节及示例。
SM2算法主要考虑素域Fp和F2m上的椭圆曲线，分别介绍了这两类域的表示，运算，以及域上的椭圆曲线的点的表示，运算和多倍点计算算法。然后介绍了编程语言中的数据转换，包括整数和字节串，字节串和比特串，域元素和比特串，域元素和整数，点和字节串之间的数据转换规则。详细说明了有限域上椭圆曲线的参数生成以及验证，椭圆曲线的参数包括有限域的选取、椭圆曲线方程参数、椭圆曲线群基点的选取等，并给出了选取的标准以便于验证。最后给椭圆曲线上密钥对的生成以及公钥的验证，用户的密钥对为（s，sP），其中s为用户的私钥，sP为用户的公钥，由于离散对数问题从sP难以得到s，并针对素域和二元扩域给出了密钥对生成细节和验证方式。总则中的知识也适用于SM9算法。
在总则的基础上给出了数字签名算法（包括数字签名生成算法和验证算法），密钥交换协议以及公钥加密算法（包括加密算法和解密算法），并在每个部分给出了算法描述，算法流程和相关示例。
数字签名算法、密钥交换协议以及公钥加密算法都使用了国家密管理局批准的SM3密码杂凑算法和随机数发生器。数字签名算法、密钥交换协议以及公钥加密算法根据总则来选取有限域和椭圆曲线，并生成密钥对。
SM2算法在很多方面都优于RSA算法。
3 SM3杂凑算法
SM3密码杂凑（哈希、散列）算法给出了杂凑函数算法的计算方法和计算步骤，并给出了运算示例。此算法适用于商用密码应用中的数字签名和验证，消息认证码的生成与验证以及随机数的生成，可满足多种密码应用的安全需求。在SM2，SM9标准中使用。
此算法对输入长度小于2的64次方的比特消息，经过填充和迭代压缩，生成长度为256比特的杂凑值，其中使用了异或，模，模加，移位，与，或，非运算，由填充，迭代过程，消息扩展和压缩函数所构成。具体算法及运算示例见SM3标准。
4 SM4对称算法
此算法是一个分组算法，用于无线局域网产品。该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特。加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构。解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。
此算法采用非线性迭代结构，每次迭代由一个轮函数给出，其中轮函数由一个非线性变换和线性变换复合而成，非线性变换由S盒所给出。其中rki为轮密钥，合成置换T组成轮函数。轮密钥的产生与上图流程类似，由加密密钥作为输入生成，轮函数中的线性变换不同，还有些参数的区别。SM4算法的具体描述和示例见SM4标准。
SM7对称密码
SM7算法，是一种分组密码算法，分组长度为128比特，密钥长度为128比特。SM7适用于非接触式IC卡，应用包括身份识别类应用(门禁卡、工作证、参赛证)，票务类应用(大型赛事门票、展会门票)，支付与通卡类应用（积分消费卡、校园一卡通、企业一卡通等）。
SM9标识密码算法
为了降低公开密钥系统中密钥和证书管理的复杂性，以色列科学家、RSA算法发明人之一Adi Shamir在1984年提出了标识密码（Identity-Based Cryptography）的理念。标识密码将用户的标识（如邮件地址、手机号码、QQ号码等）作为公钥，省略了交换数字证书和公钥过程，使得安全系统变得易于部署和管理，非常适合端对端离线安全通讯、云端数据加密、基于属性加密、基于策略加密的各种场合。2008年标识密码算法正式获得国家密码管理局颁发的商密算法型号：SM9(商密九号算法)，为我国标识密码技术的应用奠定了坚实的基础。
SM9算法不需要申请数字证书，适用于互联网应用的各种新兴应用的安全保障。如基于云技术的密码服务、电子邮件安全、智能终端保护、物联网安全、云存储安全等等。这些安全应用可采用手机号码或邮件地址作为公钥，实现数据加密、身份认证、通话加密、通道加密等安全应用，并具有使用方便，易于部署的特点，从而开启了普及密码算法的大门。
ZUC祖冲之算法
祖冲之序列密码算法是中国自主研究的流密码算法,是运用于移动通信4G网络中的国际标准密码算法,该算法包括祖冲之算法(ZUC)、加密算法(128-EEA3)和完整性算法(128-EIA3)三个部分。目前已有对ZUC算法的优化实现，有专门针对128-EEA3和128-EIA3的硬件实现与优化。
