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关于rsa:编程中常用的加密算法

jiezi

前言

编程中常见的加密算法有以下几种，它们在不同场景中别离有利用。除信息摘要算法外，其它加密形式都会须要密钥。

  • 信息摘要算法
  • 对称加密算法
  • 非对称加密算法

密钥

密钥 （key，又常称 金钥 ）是指某个用来实现 加密 、 解密 、 完整性验证 等密码学利用的机密信息。

密钥分类

  • 加解密中的密钥：对称加密中共享雷同的密钥，非对称加密中分 公钥 和私钥，公钥加密私钥解密。
  • 音讯认证码和数字签名中的密钥：在音讯认证码中，音讯发送方和接管方应用共享密钥进行认证。在数字签名中，签名应用私钥，而验证应用公钥。
  • 会话密钥和主密钥：每次通信只应用一次的密钥称为会话密钥（session key）。绝对于会话密钥，重复使用的密钥称为主密钥（master key）。

密钥和明码

明码个别是由用户生成，具备可读性，能够记忆和存储，罕用于软件治理，而密钥是供实现加密算法的软件应用，不须要具备可读性（不过在编程中为了不便浏览都进行 Base64）。咱们也能够通过明码来生成密钥。

密钥治理

  • 生成密钥：能够用随机数生成密钥，也能够用口令生成密钥。
  • 配送密钥：可采纳当时共享密钥、应用密钥调配核心、应用公钥明码、应用 Diffie-Hellman 密钥替换。
  • 更新密钥
  • 保留密钥
  • 作废密钥

密钥生成

jdk 中 jce (Java Cryptography Extension) 蕴含了加密相干的所有 API。

生成对称加密算法的密钥

    public static SecretKey generateKey(int keySize) {
        KeyGenerator keyGenerator;
        try {keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
            keyGenerator.init(keySize);
            return keyGenerator.generateKey();} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            // ignore
            return null;
        }
    }

生成对称非对称加密算法的密钥

    /**
     * 生成非对称密钥对
     *
     * @param keySize 密钥大小
     * @param random  指定随机起源，默认应用 JCAUtil.getSecureRandom()
     * @return 非对称密钥对
     * @throws NoSuchAlgorithmException NoSuchAlgorithm
     */
    public static PPKeys genKeysRSA(int keySize, SecureRandom random) throws NoSuchAlgorithmException {KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        if (null != random) {generator.initialize(keySize, random);
        } else {generator.initialize(keySize);
        }
        KeyPair pair = generator.generateKeyPair();
        PPKeys keys = new PPKeys();
        PublicKey publicKey = pair.getPublic();
        PrivateKey privateKey = pair.getPrivate();
        keys.setPublicKey(Base64.getEncoder().encodeToString(publicKey.getEncoded()));
      keys.setPrivateKey(Base64.getEncoder().encodeToString(privateKey.getEncoded()));
        return keys;
    }

密钥协商（Diffie-Hellman）

密钥协商是一种协定，两方或多方在通过该协定建设雷同的共享密钥，而后通信内容进行对称加密传输，而不须要替换密钥。

大抵过程：每一方生成一个公私钥对并将公钥分发给其它方，当都取得其余方的公钥正本后就能够离线计算共享密钥。

Java 中提供了 KeyAgreement 能够实现密钥协商。

  • Alice 和 Bob 别离用他们的私钥初始化本人的密钥协商对象 KeyAgreement，调用init() 办法；
  • 而后将通信的每一方的公钥 传入执行 doPhase(Key key, boolean lastPhase)；
  • 各方生成共享密钥 generateSecret()。
    public static void diffieHellman() throws Exception {AlgorithmParameterGenerator dhParams = AlgorithmParameterGenerator.getInstance("DH");
        dhParams.init(1024);
        KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
        keyGen.initialize(dhParams.generateParameters().getParameterSpec(DHParameterSpec.class), new SecureRandom());

        KeyAgreement aliceKeyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
        KeyPair alicePair = keyGen.generateKeyPair();
        KeyAgreement bobKeyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
        KeyPair bobPair = keyGen.generateKeyPair();

        aliceKeyAgree.init(alicePair.getPrivate());
        bobKeyAgree.init(bobPair.getPrivate());

        aliceKeyAgree.doPhase(bobPair.getPublic(), true);
        bobKeyAgree.doPhase(alicePair.getPublic(), true);

       boolean agree = Base64.getEncoder().encodeToString(aliceKeyAgree.generateSecret()).equals(Base64.getEncoder().encodeToString(bobKeyAgree.generateSecret())
        );
        System.out.println(agree);
    }

信息摘要算法

信息摘要算法又叫 加密散列算法 ，加密过程不须要密钥，常见的加密散列算法有MD 系列 和SHA 系列。

一个现实的加密散列函数应该具备以下个性：

  • 任何信息传入后，输入的总是长度固定；
  • 音讯摘要看起来是“随机的”，这样依据原始信息就很难揣测出值；
  • 好的散列函数碰撞概率应该极低，也就是不同信息传入后失去雷同值的概率；

MD 系列

MD5 信息摘要算法（MD5 Message-Digest Algorithm），一种被宽泛应用的加密散列函数，输入出一个 128 位（16 字节）的散列值（hash value），MD5 最后设计为加密散列函数，而目前发现它存在大量破绽，所以不倡议间接用作加密，不过在非加密场景下如：数据完整性校验，文件完整性校验它依然有宽泛的利用。

    public static String md5(String content) {
        try {MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("MD5");
            byte[] bytes = digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            return Hex.encodeHexString(bytes);
        } catch (final NoSuchAlgorithmException e) {throw new IllegalArgumentException(e);
        }
    }

SHA 系列

平安散列算法 （Secure Hash Algorithm，缩写为 SHA）是一个加密散列函数家族，是 FIPS(美国联邦信息处理规范) 所认证的平安散列算法。能计算出一个数字音讯所对应到的，长度固定的字符串（又称音讯摘要）的算法。且若输出的音讯不同，它们对应到不同字符串的机率很高。

它们别离蕴含 SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3，其中 SHA-0、SHA-1 输入长度是 160 位，SHA-2 蕴含 SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256，咱们平时罕用 SHA-256。

    public static String sha256(String content) {
        try {MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256);
            byte[] bytes = digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            return Hex.encodeHexString(bytes);
        } catch (final NoSuchAlgorithmException e) {throw new IllegalArgumentException(e);
        }
    }

对称加密算法

对称加密算法，单方持有雷同密钥进行加解密，常见的对称加密算法：DES 3DES AES128 AES192 AES256。了解对称加密须要先明确上面几个概念：

  • 分组明码模式：将明文切割进行加密，再将密文拼接到一起。比方 AES 中会将明文数据切割为大小 16 字节的数据块，最初一块不够 16 字节时，应用 Padding 模式进行补充。
  • 填充（Padding）：它有三种模式 PKCS5、PKCS7 和 NOPADDING，PKCS5 用短少的字节数来填充，比方短少 5 个字节就填充 5 个数字 5，PKCS7 短少的字节数用 0 来填充。如果数据刚好是 16 的整数倍，PKCS5 和 PKCS7 会再补充一个 16 字节数据来辨别填充和无效数据，NOPADDING 模式不须要填充。
  • 初始化向量：初始向量 IV 的作用是使加密更加安全可靠，在分组明码模式下 IV 大小对应数据块长度。
  • 加密模式：四种加密模式别离是：ECB(电子密码本模式)、CBC(明码分组链接模式)、CFB、OFB。ECB 模式是仅仅应用明文和密钥来加密数据，所以该模式下不须要 Padding，安全性也较弱，CBC 模式数据分块并且应用传入 IV 顺次进行异或操作，安全性也绝对较高，所以目前个别都抉择 CBC 模式。
  • 加密密钥：不同加密算法密钥长度不同，比方：DES 默认长度 56 位，3DES 默认长度 168 位，也反对 128 位，AES 默认 128 位，也反对 192 位，256 位。咱们个别依据明码生成密钥，明码长度须要满足算法密钥长度。

DES

DES 是对称加密算法畛域中的典型算法，因为密钥默认长度为56 bit，所以明码长度须要大于 8 byte，DESKeySpec 取前 8 byte 进行密钥制作。

 public static String encryptDES(byte[] content, String password) {
        try {SecureRandom random = new SecureRandom();
            DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(password.getBytes());
            SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(desKeySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, random);
            return Base64.getEncoder().encodeToString(cipher.doFinal(content));
        } catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static String decryptDES(String content, String password) throws Exception {SecureRandom random = new SecureRandom();
        DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(password.getBytes());
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
        SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(desKeySpec);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, random);
        return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(content)));
    }

3DES

3DES（即 Triple DES）。是 DES 算法的增强，它应用 3 条 56 位的密钥对数据进行三次加密。它以 DES 为根本模块，通过组合分组办法设计出分组加密算法。比起最后的 DES，3DES 更为平安。密钥默认长度 168 bit，明码须要大于24 byte，IV 是 8 byte 的随机数字和字母数组。


    public static String encrypt3DESECB(String content, String key, String iv) {
        try {IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
            SecretKey secretkey = keyFactory.generateSecret(dks);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/CBC/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretkey, ivSpec);
            return Base64.getEncoder().encodeToString(cipher.doFinal(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        } catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static String decrypt3DESECB(String content, String key, String iv) {
        try {IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
            SecretKey secretkey = keyFactory.generateSecret(dks);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/CBC/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretkey, ivSpec);
            return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(content)), StandardCharsets.UTF_8);
        } catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);
        }
    }

AES

AES 高级数据加密规范，可能无效抵挡已知的针对 DES 算法的所有攻打，默认密钥长度为128 bit，还能够供选择 192 bit，256 bit。AES-128 AES-192 AES-256

默认 AES-128，应用 PBEKeySpec 生成固定大小的密钥。

public static String encryptAES128(String plainText, String password, String salt) throws Exception {SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");
        byte[] saltBytes = salt.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        // AES-128 密钥长度为 128bit
        PBEKeySpec spec = new PBEKeySpec(password.toCharArray(),
          saltBytes,
          1000,
          128
        );
        SecretKey secretKey = factory.generateSecret(spec);
        SecretKeySpec secret = new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), "AES");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        AlgorithmParameters params = cipher.getParameters();
        IvParameterSpec iv = params.getParameterSpec(IvParameterSpec.class);

        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secret, iv);
        byte[] encryptedTextBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

        String encodedText = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedTextBytes);
        String encodedIV = Base64.getEncoder().encodeToString(iv.getIV());
        String encodedSalt = Base64.getEncoder().encodeToString(saltBytes);
        return encodedSalt + "." + encodedIV + "." + encodedText;
    }


    public static String decryptAES128(String encryptedText, String password) throws Exception {String[] fields = encryptedText.split("\\.");
        byte[] saltBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[0]);
        byte[] ivBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[1]);
        byte[] encryptedTextBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[2]);

        SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");
        PBEKeySpec spec = new PBEKeySpec(password.toCharArray(),
          saltBytes,
          1000,
          128
        );

        SecretKey secretKey = factory.generateSecret(spec);
        SecretKeySpec secret = new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), "AES");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secret, new IvParameterSpec(ivBytes));
        byte[] decryptedTextBytes;
        try {decryptedTextBytes = cipher.doFinal(encryptedTextBytes);
            return new String(decryptedTextBytes);
        } catch (IllegalBlockSizeException | BadPaddingException e) {throw new RuntimeException(e);
        }
    }

应用 AES-256 时可能会呈现上面异样：

 java.security.InvalidKeyException: Illegal key size

JDK 1.8.0_161 及以上版本默认曾经启用有限强度加密：

    static {java.security.Security.setProperty("crypto.policy", "unlimited");
    }

JDK 1.8.0_161 以前版本须要手动装置 jce 策略文件（下载地址）

非对称加密算法

非对称加密应用一对密钥，公钥用作加密，私钥则用作解密。对于密钥大小，截至 2020 年，公开已知的最大 RSA 密钥是破解的是 829 位的 RSA-250，倡议至多应用 2048 位密钥。

    public static String encrypt(byte[] publicKey, String plainText) {X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
        KeyFactory kf;
        try {kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PublicKey publicKeySecret = kf.generatePublic(keySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKeySecret);
            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
            return new String(Base64.getEncoder().encode(encryptedBytes));
        } catch (Exception e) {log.error("Rsa encrypt error", e);
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static String decrypt(byte[] privateKey, String encryptedText) {PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
        KeyFactory kf;
        try {kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PrivateKey privateKeySecret = kf.generatePrivate(keySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKeySecret);
            return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedText)), StandardCharsets.UTF_8);
        } catch (Exception e) {log.error("Rsa decrypt error", e);
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
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