编码与加密(对称加密与非对称加密)

目录

• 编码与加密
  • Base64编码(可逆)
  • 十六进制编码（hex.EncodeToString函数）(可逆)
  • 哈希算法(不可逆)
    • MD5(不可逆)
    • SHA-256(不可逆)
    • MAC算法(不可逆)
  • 加密算法(可逆)
    • 对称加密算法(可逆)
      • DES(可逆)
      • AES(可逆)
      • 区别
    • 非对称加密算法(可逆)
      • RSA(可逆)
      • ECC(可逆)
      • PEM格式存储密钥
      • DER格式存储密钥
  • 加密模式
    • CBC模式
    • ECB模式

编码与加密

• 只记录作用和场景使用，不探索原理（哥们数学不好.jpg

• demo都是golang实现的

Base64编码(可逆)

它的主要作用是将二进制数据转换为文本格式，从而便于在文本传输通道中传递。
因为传输二进制数据时候比如在http中要以可见字符传输，所以需要将二进制数据编码为可见字符。

• 标准 Base64 里的 64 个可打印字符是 A-Za-z0-9+/
  
  编码后长度是(n+2)/3*4
• 如果待编码内容的字节数不是 3 的整数倍，那需要进行一些额外的处理。
  • 如果最后剩下 1 个字节，那么将补 4 个 0 位，编码成 2 个 Base64 字符，然后补两个 =：
  • 如果最后剩下 2 个字节，那么将补 2 个 0 位，编码成 3 个 Base64 字符，然后补一个 =：
• URL Safe Base64 编码
  在 URL 的应用场景中，因为标准 Base64 索引表中的 / 和 + 会被 URLEncoder 转义成 %XX 形式，但 % 是 SQL 中的通配符，直接用于数据库操作会有问题。此时可以采用 URL Safe 的编码器
  将 + 替换为 -
  将 / 替换为 _

ans := make([]byte, base64.StdEncoding.EncodedLen(len("abcd")))
base64.StdEncoding.Encode(ans,[]byte("abcs"))//编码
fmt.Println(string(ans))
ans2 := make([]byte, base64.StdEncoding.DecodedLen(len(ans)))
base64.StdEncoding.Decode(ans2,ans)//解码
fmt.Println(string(ans2))

十六进制编码（hex.EncodeToString函数）(可逆)

将字节数组转换为十六进制字符串
将其每个字节转换为两个十六进制字符，并将结果组合成一个字符串返回。但是比base64长
对比base64是十六进制编码可以直接参与运算，且方便查看二进制数据

哈希算法(不可逆)

哈希算法（Hash Function） 是一种将任意长度的数据转换为固定长度的输出，该输出基于输入数据，且唯一对应于输入数据。哈希函数是单向函数，它将输入转换为固定长度的输出，而且不可逆。

• 常见的哈希算法：MD5、SHA-1、SHA-256、SHA-384、SHA-512

MD5(不可逆)

返回定长16字节的128位bit哈希值
数据完整性校验：MD5算法常用于验证数据的完整性。在数据传输过程中，发送方可以计算数据的MD5哈希值并将其发送给接收方。接收方收到数据后，再次计算哈希值并与发送方提供的哈希值进行比较。如果两者匹配，则说明数据在传输过程中没有被篡改。
密码存储：MD5算法也常用于密码存储。将用户密码通过MD5哈希后存储在数据库中，即使数据库被泄露，攻击者也无法直接获取用户的明文密码。然而，由于MD5算法存在已知的安全漏洞（如彩虹表攻击和碰撞攻击），现在已不推荐使用MD5来存储密码。更安全的做法是使用加盐哈希

func Test_MD5(t *testing.T) {
    salt := "123456"//盐值
	s := "hello"//需要哈希的字符串
	h := md5.New()//创建一个md5对象
	h.Write([]byte(s)+[]byte(salt))//写入需要哈希的字符串
	fmt.Println(h.Sum(nil))//Sum把哈希值追加到参数*[]byte中，并返回
}

即使加盐，MD5 仍然可以被破解。加盐只是增加了破解的难度，但并没有解决 MD5 本身的安全缺陷。以下是详细的解释：
加盐的作用和局限性
增加破解难度：加盐主要是为了防止彩虹表攻击（即预计算哈希值的查找表）。通过加入随机盐值，每个输入的哈希结果都会有所不同，即使输入相同也会生成不同的哈希值，这使得预计算哈希表变得无效。
防止简单暴力破解：如果每个输入都带有唯一的盐值，攻击者不能一次破解多个哈希值，他们必须针对每个盐值单独进行暴力破解。
盐值和输入：盐值并不需要保密，通常与哈希值一起存储。然而，盐值的存在不会消除哈希算法的固有弱点。如果哈希算法易于碰撞（如 MD5），攻击者仍然可以利用这些弱点进行攻击。

SHA-256(不可逆)

返回定长32字节的256bit哈希值
SHA-256 是一种哈希算法，属于安全哈希算法（Secure Hash Algorithm）家族的一员，用于将任意长度的输入数据转换为固定长度（256 比特，即 32 字节）的哈希值。SHA-256 具有以下特点：

• 不可逆性：无法通过哈希值反推出原始数据。
• 固定输出长度：不论输入数据的长度如何，SHA-256 始终生成长度为 256 位的哈希值。
• 碰撞抗性：极难找到两个不同的输入数据生成相同的哈希值。
• 广泛应用：用于数据完整性验证、数字签名、密码学安全等领域。
• 在实际应用中，SHA-256 通常用于生成数据的唯一标识或验证数据在传输过程中是否被篡改。

func Test_SHA256(t *testing.T) {
	s := "hello"//需要哈希的字符串
	h := sha256.New()//创建一个sha256对象
	h.Write([]byte(s))//写入需要哈希的字符串
	fmt.Println(hex.EncodeToString(h.Sum(nil)))//Sum把哈希值追加到参数*[]byte中，并返回
}

MAC算法(不可逆)

HMAC 是一种基于哈希函数和密钥的消息认证码。它结合了哈希算法（如 SHA-256、SHA-1、MD5 等）和密钥，用于生成一种认证码，用于验证消息的完整性和真实性。HMAC 的特点包括：

• 结合性：使用哈希函数和密钥生成认证码。
• 安全性：提供对消息完整性的强保证，即使哈希函数被公开，只有知道密钥的人才能验证认证码。
• 灵活性：可以选择不同的哈希算法，但常见选择是 SHA-256。
  HMAC使用SHA-256 + 密钥生成消息认证代码MAX(Message Authentication Code)(不可逆)
  HS256（HMAC with SHA-256）生成的 token 主要用于 验证消息的完整性和真实性 ，但它更常用于生成和验证身份认证的 token，例如 JSON Web Token (JWT)。

func Test_HMAC(t *testing.T) {
	key := []byte("secret")// 密钥
	a := hmac.New(sha256.New, key)// 创建一个新的hmac对象
	a.Write([]byte("hello"))// 写入需要签名的数据
	b := a.Sum(nil)// 计算签名并返回结果
	fmt.Println(base64.StdEncoding.EncodeToString(b))// 对结果进行Base64编码
	//iKqz7ejTrflNJquQ07r9SiCDBww7zOnAFO4EpEOEfAs=
}

加密算法(可逆)

加密算法（Encryption Algorithm） 是将明文（plaintext）转换为密文（ciphertext），或者将密文转换为明文的算法。
加密都是把一个block快加密成等长的密文，由于只能一个个块加密，要配合不同的加密模式例如下面的CBC模式和ECB模式，才能达到加密的目的。
对称加密比非对称加密快

对称加密算法(可逆)

• 是指加密和解密使用相同密钥的加密算法。
• 加密和解密速度快，安全性高。
• 对称加密在开发中用的很多，如 AES，DES，3DES，RC。

DES(可逆)

• 采用的密钥长度为 56 位
• 加密后长度和输入相同
• 安全性较低，目前不推荐使用

DES 加密算法的密钥长度应该是 8 个字节（64 位），不过实际上只有 56 位被用于加密计算，而 8 位用于奇偶校验，所以通常是使用 8 个字节的密钥
对于 DES 加密算法而言，数据长度必须是加密块大小的整数倍，即 8 字节。
但是近些年使用越来越少，因为 DES 使用56位密钥（密钥长度越长越安全），以现代计算能力24小时内即可被破解。虽然如此，在某些简单应用中，我们还是可以使用 DES 加密算法。

var key = []byte("12345678") // 56位密钥
//编码一个blocksize长度的块(8位)
func encoded(s []byte) []byte {
	block, _ := des.NewCipher(key) //Cipher是密码的意思
	ans := make([]byte, len(s))
	block.Encrypt(ans, s) //encrypt加密一个block块
	return ans
}
//解码一个blocksize长度的块(8位)
func decoded(s []byte) []byte {
	block, _ := des.NewCipher(key) //Cipher是密码的意思
	ans := make([]byte, len(s))
	block.Decrypt(ans, s) //decrypt解密一个block块
	return ans
}

AES(可逆)

• 采用的密钥长度为 128 位、192 位或 256 位
• 加密后长度和输入相同
• 安全性高，目前推荐使用

func Test_AES(t *testing.T) {
	key := []byte("1234567890123456") // 16字节密钥
	plaintext := []byte("helloworldaaaaaa")// 16字节明文
	ans:=encoded_aes(key,plaintext)
	fmt.Println(ans)
	fmt.Println(deccode_aes(key,ans))
}
// 编码一个blocksize长度的块(16位)
func encoded_aes(keys,s []byte) []byte {
	block, _ := aes.NewCipher(keys) //Cipher是密码的意思
	ans := make([]byte, len(s))
	block.Encrypt(ans, s) //encrypt加密一个block块
	return ans
}
func deccode_aes(keys,s []byte) []byte {
	block, _ := aes.NewCipher(keys) //Cipher是密码的意思
	ans := make([]byte, len(s))
	block.Decrypt(ans, s) //encrypt加密一个block块
	return ans
}

区别

AES（Advanced Encryption Standard）和DES（Data Encryption Standard）是两种常见的对称加密算法，它们在多个方面有显著的区别：

• AES：支持多种密钥长度，包括 AES-128、AES-192 和 AES-256，分别对应 128 位、192 位和 256 位密钥长度。这些密钥长度提供了不同级别的安全性，其中 AES-256 提供了最高级别的安全性。
• DES：固定为 56 位的密钥长度，但实际上只有 56 位被用作加密密钥，其余 8 位用作奇偶校验，因此实际的加密强度是 56 位。由于密钥长度短，DES 的安全性在现代计算环境下已经不足以应对安全威胁。

非对称加密算法(可逆)

• 是指加密和解密使用不同的密钥的加密算法。
• 加密速度慢，安全性高。
• 私钥加密，公钥解密
• 非对称加密在开发中用的不多，如 RSA、DSA。

RSA(可逆)

• 加密后数据长度 <= 密钥位数 / 8 - 11
• 公钥和私钥在本质上是大整数。它们是基于大整数数学运算的加密系统的核心组成部分。在许多公钥加密算法（如 RSA、ECC）中，公钥和私钥都可以表示
  在 RSA 加密系统中：
  • 私钥由两个主要大整数组成：
    • n（模数）：这是两个大素数 p 和 q 的乘积。
    • d（私有指数）：这是一个与模数 n 相关的整数，用于解密。
  • 公钥由两个主要大整数组成：
    • n（模数）：与私钥中的模数相同。
    • e（公有指数）：这是一个通常选定的较小的整数，用于加密。
  • 这些整数在 RSA 密钥生成过程中通过数学运算生成并满足特定的数学关系，使得 RSA 加密和解密可以进行。

func Test_RSA(t *testing.T) {
	// 生成私钥和公钥
	privateKey, _ := rsa.GenerateKey(rand.Reader, 2048)
	publicKey := &privateKey.PublicKey
	// 保存私钥和公钥
	// res1 := pem.EncodeToMemory(&pem.Block{Type: "RSA PRIVATE KEY", Bytes: x509.MarshalPKCS1PrivateKey(privateKey)})
	// res2 := pem.EncodeToMemory(&pem.Block{Type: "PUBLIC KEY", Bytes: x509.MarshalPKCS1PublicKey(publicKey)})
	// ioutil.WriteFile("private.pem", res1, 0600)
	// ioutil.WriteFile("public.pem", res2, 0600)
	//读取私钥和公钥
	data, _ := ioutil.ReadFile("private.pem")
	block, _ := pem.Decode(data)
	privateKey, _ = x509.ParsePKCS1PrivateKey(block.Bytes)
	data, _ = ioutil.ReadFile("public.pem")
	block, _ = pem.Decode(data)
	publicKey, _ = x509.ParsePKCS1PublicKey(block.Bytes)

	// 加密
	src := []byte("hello world")
	encrypted, _ := rsa.EncryptOAEP(sha256.New(), rand.Reader, publicKey, src, nil)

	fmt.Println("加密后的数据:",base64.StdEncoding.EncodeToString(encrypted))

	// 解密
	decrypted, _ := rsa.DecryptOAEP(sha256.New(), rand.Reader, privateKey, encrypted, nil)
	fmt.Println(string(decrypted))
}

ECC(可逆)

ECC 密钥
在椭圆曲线加密（ECC）中：

• 私钥 是一个大整数 d，这是在某个范围内的随机数。
• 公钥 是椭圆曲线上的一个点 Q，它是通过椭圆曲线上的基点 G 乘以私钥 d 得到的，即 Q = d * G。
• 椭圆曲线加密依赖于椭圆曲线上的点运算，私钥和公钥在数学上有着密切的关系。

PEM格式存储密钥

pem.EncodeToMemory 是 Go 语言标准库中的一个函数，位于 encoding/pem 包内，用于将 PEM 编码的块（pem.Block）编码为字节切片并返回。
什么是 PEM 编码
PEM（Privacy-Enhanced Mail）编码是一种用于表示加密对象（如证书、私钥、公钥等）的标准。PEM 格式的文件通常以 -----BEGIN ----- 和 -----END ----- 包围数据块，并且数据块使用 Base64 编码。
例如：public.pem 文件的内容可能如下所示：

-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIIBCgKCAQEAvHxBCN85ydD+qwZvnIC1jt2X6PCivCgmgF0whfRfZE2CSukKJfWs
BZaPDdV8Zus/LPuH7PJs1rOazwQxyoewSy0hO2h66eAoyfCkGAwi30+lshop/oiK
BrHQW0g3S7Uywcfx+WQpFxP+YtWqXqhSGmb/Y83gYpvVtWUm5zzWleg1Iv1M2ihs
KBR+SxAoLRQmnycEmHlOorw138VR0wnH8Gmh9xNZ/+RV6wIOQVmf1VHu+dJnmf21
wAMdua9nOoibxrVz69IzjixiXi5M1El2jncAMGjRBJsMbwtfWPbABVju6f6PK13y
nYcf1rwlRcchxTeAwVnMCppMStrdhl2fTQIDAQAB
-----END PUBLIC KEY-----

pem.EncodeToMemory 的作用
pem.EncodeToMemory 的主要作用是将一个 pem.Block 对象编码为 PEM 格式的字节切片，方便存储或传输。
示例代码
下面是一个使用 pem.EncodeToMemory 的示例，它生成一个 RSA 私钥，并将其编码为 PEM 格式的字节切片，然后打印出来：

package main

import (
	"crypto/rand"
	"crypto/rsa"
	"crypto/x509"
	"encoding/pem"
	"fmt"
)

func main() {
	// 生成 RSA 私钥
	privateKey, err := rsa.GenerateKey(rand.Reader, 2048)
	if err != nil {
		fmt.Println("Error generating RSA key:", err)
		return
	}

	// 将私钥转换为 PKCS#1 格式的 ASN.1 DER 编码
	privateKeyDER := x509.MarshalPKCS1PrivateKey(privateKey)

	// 创建一个 PEM Block
	privateKeyBlock := &pem.Block{
		Type:  "RSA PRIVATE KEY",
		Bytes: privateKeyDER,
	}

	// 将 PEM Block 编码为字节切片
	privateKeyPEM := pem.EncodeToMemory(privateKeyBlock)

	// 打印 PEM 编码的私钥
	fmt.Println(string(privateKeyPEM))
}

DER格式存储密钥

DER（Distinguished Encoding Rules）格式是一种二进制编码格式，用于存储 ASN.1 编码的结构。
DER 格式的文件通常以 0x30 开始，以 0x00 结束。

加密模式

CBC模式

• 加密过程：
  对第一个数据块（明文）进行加密时，使用 IV 与明文进行异或运算，然后将结果再与加密算法的密钥进行加密，得到第一个密文块。
  对后续的数据块，将前一个密文块与当前的明文进行异或运算，然后再与密钥进行加密，得到当前的密文块。
  这样一直进行下去，每个密文块都依赖于前一个密文块的加密结果，因此形成了一条“链”。
• 解密过程：
  解密过程与加密过程相反。首先使用 IV 与第一个密文块进行解密运算（使用解密算法和密钥），然后再与 IV 进行异或运算，得到第一个明文块。
  对后续的密文块，使用当前密文块与前一个密文块进行解密运算，然后再与前一个密文块进行异或运算，得到当前的明文块。
  这样依次进行下去，直至得到所有的明文块。
  AES-CBC demo

func PKCS7Padding(ciphertext []byte, blockSize int) []byte {
	padding := blockSize - len(ciphertext)%blockSize
	padtext := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
	return append(ciphertext, padtext...)
}
func PKCS7UnPadding(origData []byte) []byte {
	length := len(origData)
	unpadding := int(origData[length-1])
	fmt.Println("unpadding:", origData[length-1])
	return origData[:(length - unpadding)]
 }
func Test_DES_CBC(t *testing.T) {
	key := []byte("12345678")                            // 8位密钥
	plaintext := []byte("hello woqrld for study des cbc") // 8字节明文
	iv := []byte("12345678")                             // 8字节iv
	block, _ := des.NewCipher(key)
	mode := cipher.NewCBCEncrypter(block, iv) // 创建一个新的CBC加密器
	fmt.Println("补位前明文:", plaintext, len(plaintext))
	plaintext = PKCS7Padding(plaintext, block.BlockSize()) // 填充
	fmt.Println("加密前明文:", plaintext, len(plaintext))
	ciphertext := make([]byte, len(plaintext))          // 16字节密文
	for i := 0; i < len(plaintext); i += des.BlockSize {
		blocks := plaintext[i : i+des.BlockSize] // 取出一个block块
		mode.CryptBlocks(ciphertext[i:], blocks) // 加密一个block块
	}
	fmt.Println("加密后密文:", ciphertext)

	
	fmt.Println("解密前密文:", ciphertext)
	block1, _ := des.NewCipher(key)
	mode1 := cipher.NewCBCDecrypter(block1, iv) // 创建一个新的CBC解密器
	plaintext1 := make([]byte, len(ciphertext))
	for i := 0; i < len(ciphertext); i += des.BlockSize {
		block2 := ciphertext[i : i+des.BlockSize] // 取出一个block块
		mode1.CryptBlocks(plaintext1[i:], block2) // 解密一个block块
	}
	fmt.Println("解密后明文:", plaintext1)
	plaintext1 = PKCS7UnPadding(plaintext1) // 去除填充
	fmt.Println("去除填充后明文:", string(plaintext1))
}

ECB模式

• 加密过程：
  对每个数据块（明文）进行加密时，使用加密算法的密钥进行加密，得到当前的密文块。
• 解密过程：
  对每个数据块（密文）进行解密时，使用加密算法的密钥进行解密，得到当前的明文块。
  
  ECB模式 demo

func PKCS7Padding(ciphertext []byte, blockSize int) []byte {
	padding := blockSize - len(ciphertext)%blockSize
	padtext := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
	return append(ciphertext, padtext...)
}
func PKCS7UnPadding(origData []byte) []byte {
	length := len(origData)
	unpadding := int(origData[length-1])
	fmt.Println("unpadding:", origData[length-1])
	return origData[:(length - unpadding)]
}
func encrypt_DES_ECB(plaintext, key []byte) ([]byte, error) {
	block, err := des.NewCipher(key)
	if err != nil {
		return nil, err
	}
	//对明文进行填充
	plaintext = PKCS7Padding(plaintext, block.BlockSize())
	ciphertext := make([]byte, len(plaintext))
	//就是逐块EDS加密后拼接
	for bs, be := 0, block.BlockSize(); bs < len(plaintext); bs, be = bs+block.BlockSize(), be+block.BlockSize() {
		block.Encrypt(ciphertext[bs:be], plaintext[bs:be])
	}
	return ciphertext, nil
}
func decrypt_DES_ECB(ciphertext, key []byte) ([]byte, error) {
	block, _ := des.NewCipher(key)

	lens := len(ciphertext)
	ans := make([]byte, lens)
	//就是逐块EDS解密后拼接
	for bs, be := 0, block.BlockSize(); bs < len(ciphertext); bs, be = bs+block.BlockSize(), be+block.BlockSize() {
		block.Decrypt(ans[bs:be], ciphertext[bs:be])
	}
	//对密文进行去填充
	ans = PKCS7UnPadding(ans)
	return ans, nil
}
func Test_DES_ECB(t *testing.T) {
	// 加密
	key := []byte("12345678")
	src := []byte("hello world")
	ans, _ := encrypt_DES_ECB(src, key)
	fmt.Println(ans)
	// 解密
	ans1, _ := decrypt_DES_ECB(ans, key)
	fmt.Println(string(ans1))
}