java加密算法入门（一）-算法概念及单向加密

说起加密，我的第一印象就是电视剧各种密码本破解解密的场景，这两天在看加密相关的东西，做下笔记以便以后查看，也提供给大家个参考。

本文是java加密的第一篇，主要讲述下消息编码Base64以及简单的消息摘要算法MD5,SHA,MAC等，如果有不对的地方还望大家指正。

1、算法概念简述

1.1、加密算法分类

消息编码：Base64

消息摘要：MD类，SHA类，MAC

对称加密：DES，3DES，AES

非对称加密：RSA，DH密钥交换

数字签名：RSA signature，DSA signature

1.2、算法的主要流程

明文-->加密算法--> 密文 --> 解密算法 --> 明文

1.3、常用的jar包

1、jdk自身提供的加密类

2、其他提供加密的第三方jar包
    Apache Commons Codec（简称CC），
    Bouncy Castle（BC）

        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.bouncycastle/bcprov-jdk15on -->
        <dependency>
            <groupId>org.bouncycastle</groupId>
            <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
            <version>1.57</version>
        </dependency>
        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/commons-codec/commons-codec -->
        <dependency>
            <groupId>commons-codec</groupId>
            <artifactId>commons-codec</artifactId>
            <version>1.10</version>
        </dependency>

2、消息摘要算法

消息摘要算法，可谓是非可逆加密，就是不可解密的加密方法也称单向加密算法。当然现在网上也有大神将一些算法破解解密的例子，这只是特例。 

2.1、使用BASE64编码格式

为什么是使用base64编码呢，因为严格地说，Base64属于编码格式，而非加密算法。我在网上有看到一个base64产生的背景，看完这个相信大家就会理解我说的这句话了。

Base64算法最早主要是解决电子邮件的传输问题，由于当时的网关有个问题就是可能会使非ASCII码字符的二进制位做调整，导致用户收取的邮件变成乱码，所以就出现了Base64算法。

什么是base64算法？

按照RFC2045的定义，Base64被定义为：Base64内容传送编码被设计用来把任意序列的8位字节描述为一种不易被人直接识别的形式。
常见于邮件、http加密，截取http信息，你就会发现登录操作的用户名、密码字段通过BASE64加密的。 

算法流程：

明文-->Base64加密--> 密文 --> Base64解密 --> 明文

代码实现：

base64目前主要是通过jdk自带的类实现，也有BC和CC等第三方的解决方案，根据我的了解，BC是对jdk的补充，CC主要是对jdk操作的简化，大家可以在后面的代码中看到的。

package checkcode;

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

import sun.misc.BASE64Decoder;
import sun.misc.BASE64Encoder;
/**
 * {@link http://www.cnblogs.com/allanzhang/}
 * @author 小卖铺的老爷爷
 *
 */
public class Base64Test 
{
    public static final String src = "laoyeye base64";
    public static void main(String[] args) 
    {
        jdkBase64();
        commonsCodesBase64();
        bouncyCastleBase64();
    } 
    // 用jdk实现
    public static void jdkBase64()
    {
        try 
        {
            BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
            String encode = encoder.encode(src.getBytes());
            System.out.println("encode:" + encode);
      
            BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder();
            System.out.println("decode:" + new String(decoder.decodeBuffer(encode)));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    
    // 用Apache的common codes实现
    public static void commonsCodesBase64()
    {
        byte[] encodeBytes = Base64.encodeBase64(src.getBytes());
        System.out.println("common codes encode:" + new String(encodeBytes));
        
        byte[] dencodeBytes = Base64.decodeBase64(encodeBytes);
        System.out.println("common codes decode:" + new String(dencodeBytes));
    }
    

    // 用bouncy castle实现
    public static void bouncyCastleBase64()
    {
        byte[] encodeBytes = org.bouncycastle.util.encoders.Base64.encode(src.getBytes());
        System.out.println("bouncy castle encode:" + new String(encodeBytes));
        
        byte[] dencodeBytes = org.bouncycastle.util.encoders.Base64.decode(encodeBytes);
        System.out.println("bouncy castle decode:" + new String(dencodeBytes));
        
    }

}

效果图：

注：BASE加密后产生的字节位数是8的倍数，如果不够位数以=符号填充。

2.2 MD(Message Digest algorithm，信息摘要算法)

MD算法目前使用最多的大概就是MD5了吧，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和MD4等发展而来。目前jdk提供了MD2和MD5的实现，对于MD4我们需要借助BC来实现。现在MD广泛用于加密和解密技术，常用于文件校验。不管文件多大，经过MD后都能生成唯一的MD值。好比现在的ISO校验，都是MD校验。怎么用？当然是把ISO经过MD后产生MD的值。一般下载linux-ISO的朋友都见过下载链接旁边放着MD的串。就是用来验证文件是否一致的。

加密流程：

明文-->MD加密--> 密文--> 接收者

明文-->接收者--> MD加密--> 密文--> 比较验证

代码实现：

package checkcode;

import java.security.MessageDigest;
import java.security.Security;

import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
import org.apache.commons.codec.digest.DigestUtils;
import org.bouncycastle.crypto.digests.MD4Digest;
import org.bouncycastle.crypto.digests.MD5Digest;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
/**
 * {@link http://www.cnblogs.com/allanzhang/}
 * @author 小卖铺的老爷爷
 *
 */
public class MD5Test {

    public static final String src = "laoyeye md5";
    public static void main(String[] args) 
    {
        jdkMD5();
        jdkMD2();
        
        bcMD4();
        bcMD5();
        
        bc2jdkMD4();
        
        ccMD5();
        ccMD2();

    }
    
    // 用jdk实现:MD5
    public static void jdkMD5()
    {
        try 
        {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
            byte[] md5Bytes = md.digest(src.getBytes());
            System.out.println("JDK MD5:" + Hex.encodeHexString(md5Bytes));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    // 用jdk实现:MD2
    public static void jdkMD2()
    {
        try 
        {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD2");
            byte[] md2Bytes = md.digest(src.getBytes());
            System.out.println("JDK MD2:" + Hex.encodeHexString(md2Bytes));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    
    // 用bouncy castle实现:MD5
    public static void bcMD5()
    {
        MD5Digest digest = new MD5Digest();
        digest.update(src.getBytes(),0,src.getBytes().length);
        byte[] md5Bytes = new byte[digest.getDigestSize()];
        digest.doFinal(md5Bytes, 0);
        System.out.println("bouncy castle MD5:" + Hex.encodeHexString(md5Bytes));
        
    }
    
    // 用bouncy castle实现:MD4
    public static void bcMD4()
    {
        MD4Digest digest = new MD4Digest();
        digest.update(src.getBytes(),0,src.getBytes().length);
        byte[] md4Bytes = new byte[digest.getDigestSize()];
        digest.doFinal(md4Bytes, 0);
        System.out.println("bouncy castle MD4:" + Hex.encodeHexString(md4Bytes));
    }
    
    // 用bouncy castle与jdk结合实现:MD4
    public static void bc2jdkMD4()
    {
        try 
        {
            Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD4");
            byte[] md4Bytes = md.digest(src.getBytes());
            System.out.println("bc and JDK MD4:" + Hex.encodeHexString(md4Bytes));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }  
    // 用common codes实现实现:MD5
    public static void ccMD5()
    {
        System.out.println("common codes MD5:" + DigestUtils.md5Hex(src.getBytes()));
    }    
    // 用common codes实现实现:MD2
    public static void ccMD2()
    {
        System.out.println("common codes MD2:" + DigestUtils.md2Hex(src.getBytes()));
    }

}

2.3  SHA(Secure Hash Algorithm，安全散列算法）

SHA现在主要有SHA1和SHA2两大类，SH2又分好多种,大家可以网上看下。SHA，被广泛地应用于电子商务等信息安全领域。虽然，SHA与MD5通过碰撞法都被破解了， 但是SHA仍然是公认的安全加密算法，较之MD5更为安全。 

加密流程：

明文-->SHA加密--> 密文--> 接收者

明文-->接收者--> SHA加密--> 密文--> 比较验证

 代码实现：

package checkcode;



import java.math.BigInteger;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.Security;

import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
import org.apache.commons.codec.digest.DigestUtils;
import org.bouncycastle.crypto.Digest;
import org.bouncycastle.crypto.digests.SHA1Digest;
import org.bouncycastle.crypto.digests.SHA224Digest;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
/**
 * {@link http://www.cnblogs.com/allanzhang/}
 * @author 小卖铺的老爷爷
 *
 */
public class SHATest {
    public static final String src = "laoyeye sha";
    public static void main(String[] args) 
    {
        jdkSHA1();
        bcSHA1();
        bcSHA224();
        bcSHA224b();
        generateSha256();
        ccSHA1();

    }
    
    // 用jdk实现:SHA1
    public static void jdkSHA1()
    {
        try 
        {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA");
            md.update(src.getBytes());
            System.out.println("jdk sha-1:" + Hex.encodeHexString(md.digest()));
            
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    // 用bouncy castle实现:SHA1 
    public static void bcSHA1()
    {
        
        Digest digest = new SHA1Digest();
        digest.update(src.getBytes(), 0, src.getBytes().length );
        byte[] sha1Bytes = new byte[digest.getDigestSize()];
        digest.doFinal(sha1Bytes, 0);
        System.out.println("bc sha-1:" + org.bouncycastle.util.encoders.Hex.toHexString(sha1Bytes));        
    }
    

    // 用bouncy castle实现:SHA224 
    public static void bcSHA224()
    {
        
        Digest digest = new SHA224Digest();
        digest.update(src.getBytes(), 0, src.getBytes().length );
        byte[] sha224Bytes = new byte[digest.getDigestSize()];
        digest.doFinal(sha224Bytes, 0);
        System.out.println("bc sha-224:" + org.bouncycastle.util.encoders.Hex.toHexString(sha224Bytes));        
    }
    
    // 用bouncy castle与jdk结合实现:SHA224 
    public static void bcSHA224b()
    {
        
        try 
        {
            Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA224");
            md.update(src.getBytes());
            System.out.println("bc and JDK sha-224:" + Hex.encodeHexString(md.digest()));
            
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }        
    }
    public static void generateSha256() {
        MessageDigest md = null;
        try {
            md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
            md.update(src.getBytes("UTF-8")); // Change this to "UTF-16" if needed
        } catch (Exception e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

        byte[] digest = md.digest();
        BigInteger bigInt = new BigInteger(1, digest);
        System.out.println("Sha256 hash: " + bigInt.toString(16));
    }
    
    // 用common codes实现实现:SHA1
    public static void ccSHA1()
    {
        System.out.println("common codes SHA1 - 1 :" + DigestUtils.sha1Hex(src.getBytes()));
        System.out.println("common codes SHA1 - 2 :" + DigestUtils.sha1Hex(src));
    }
    
    

}

效果图：

SHA与MD的比较

因为二者均由MD导出，SHA和MD彼此很相似。相应的，他们的强度和其他特性也是相似，但还有以下几点不同：

对强行攻击的安全性：最显著和最重要的区别是SHA-摘要比MD摘要长。使用强行技术，产生任何一个报文使其摘要等于给定报摘要的难度对MD是2^128数量级的操作，而对SHA则是2^160数量级的操作。这样，SHA对强行攻击有更大的强度。

对密码分析的安全性：由于MD的设计，易受密码分析的攻击，SHA显得不易受这样的攻击。

速度：在相同的硬件上，SHA的运行速度比MD慢。

2.4  HMAC(Hash Message Authentication Code，散列消息鉴别码)

基于密钥的Hash算法的认证协议。消息鉴别码实现鉴别的原理是，用公开函数和密钥产生一个固定长度的值作为认证标识，用这个 标识鉴别消息的完整性。使用一个密钥生成一个固定大小的小数据块，即MAC，并将其加入到消息中，然后传输。接收方利用与发送方共享的密钥进行鉴别认证等。

加密流程：

构建秘钥-->发送秘钥--> 接收者

明文-->HMAC算法+秘钥加密--> 密文--> 接收者

明文-->接收者--> HMAC算法+秘钥加密--> 密文--> 比较验证

代码实现：

package checkcode;

import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
import org.bouncycastle.crypto.digests.MD5Digest;
import org.bouncycastle.crypto.macs.HMac;
import org.bouncycastle.crypto.params.KeyParameter;
/**
 * {@link http://www.cnblogs.com/allanzhang/}
 * @author 小卖铺的老爷爷
 *
 */
public class HMACTest {
    public static final String src = "laoyeye hmac";

    public static void main(String[] args) 
    {
        jdkHmacMD5();
        bcHmacMD5();

    }
    
    // 用jdk实现:
    public static void jdkHmacMD5()
    {
        try 
        {
            // 初始化KeyGenerator
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("HmacMD5");
            // 产生密钥
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            //1、 获取密钥
//            byte[] key = secretKey.getEncoded();
            //2、使用固定秘钥
            byte[] key = Hex.decodeHex(new char[]{'1','2','3','4','5','6','7','8','9','a','b','c','d','e' });
            
            // 还原密钥
            SecretKey restoreSecretKey = new SecretKeySpec(key, "HmacMD5");
            // 实例化MAC
            Mac mac = Mac.getInstance(restoreSecretKey.getAlgorithm());
            // 初始化MAC
            mac.init(restoreSecretKey);
            // 执行摘要
            byte[] hmacMD5Bytes = mac.doFinal(src.getBytes());
            System.out.println("jdk hmacMD5:" + Hex.encodeHexString(hmacMD5Bytes));
            
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    // 用bouncy castle实现:
    public static void bcHmacMD5()
    {
        HMac hmac = new HMac(new MD5Digest());
        // 必须是16进制的字符，长度必须是2的倍数
        hmac.init(new KeyParameter(org.bouncycastle.util.encoders.Hex.decode("123456789abcde")));
        hmac.update(src.getBytes(), 0, src.getBytes().length);
        
        // 执行摘要
        byte[] hmacMD5Bytes = new byte[hmac.getMacSize()];
        hmac.doFinal(hmacMD5Bytes, 0);
        System.out.println("bc hmacMD5:" + org.bouncycastle.util.encoders.Hex.toHexString(hmacMD5Bytes));
        
    }

}

注：还原秘钥是将jdk初始化的密钥转换为符合特定算法规则的密钥,只要有密钥的算法,在加密步骤之前都需要进行还原密钥操作,来作为加密与解密操作时的参数.

效果图：

总结：

BASE64的加密解密是双向的，可以得出明文和密文。 
MD5、SHA以及HMAC是单向加密，任何数据加密后只会产生唯一的一个加密串，通常用来校验数据在传输过程中是否被修改。其中HMAC算法有一个密钥，增强了数据传输过程中的安全性，强化了算法外的不可控因素。 
单向加密的用途主要是为了校验数据在传输过程中是否被修改。

源码地址：https://git.oschina.net/allanzhang/checkcode.git