前言

编程中常见的加密算法有以下几种,它们在不同场景中分别有应用。除信息摘要算法外,其它加密方式都会需要密钥。

  • 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)是指某个用来完成加密解密完整性验证等密码学应用的秘密信息。

密钥分类

  • 加解密中的密钥:对称加密中共享相同的密钥,非对称加密中分公钥私钥,公钥加密私钥解密。
  • 消息认证码和数字签名中的密钥:在消息认证码中,消息发送方和接收方使用共享密钥进行认证。在数字签名中,签名使用私钥,而验证使用公钥。
  • 会话密钥和主密钥:每次通信只使用一次的密钥称为会话密钥(session key)。相对于会话密钥,重复使用的密钥称为主密钥(master key)。

密钥和密码

密码一般是由用户生成,具有可读性,可以记忆和存储,常用于软件管理,而密钥是供实现加密算法的软件使用,不需要具备可读性(不过在编程中为了方便阅读都进行Base64)。我们也可以通过密码来生成密钥。

密钥管理

  • 生成密钥:可以用随机数生成密钥,也可以用口令生成密钥。

  • 配送密钥:可采用事先共享密钥、使用密钥分配中心、使用公钥密码、使用Diffie-Hellman密钥交换。

  • 更新密钥

  • 保存密钥

  • 作废密钥

密钥生成

jdk 中 jce (Java Cryptography Extension) 包含了加密相关的所有API

生成对称加密算法的密钥

The KeyGenerator Class

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    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

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    /**
     * 生成非对称密钥对
     *
     * @param keySize 密钥大小
     * @param random  指定随机来源,默认使用 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

密钥协商是一种协议,两方或多方在通过该协议建立相同的共享密钥,然后通讯内容进行对称加密传输,而不需要交换密钥。

大致过程:每一方生成一个公私钥对并将公钥分发给其它方,当都获得其他方的公钥副本后就可以离线计算共享密钥。

Java中提供了 KeyAgreement 可以实现密钥协商。

KeyAgreement 类

  • Alice 和 Bob 分别用他们的私钥初始化自己的密钥协商对象 KeyAgreement ,调用init() 方法;
  • 然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()
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    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,加密过程不需要密钥,常见的加密散列算法有MD系列SHA系列

一个理想的加密散列函数应该具备以下特性:

  • 任何信息传入后,输出的总是长度固定;
  • 消息摘要看起来是“随机的”,这样根据原始信息就很难推测出值;
  • 好的散列函数碰撞概率应该极低,也就是不同信息传入后得到相同值的概率;

MD系列

MD5信息摘要算法(MD5 Message-Digest Algorithm),一种被广泛使用的加密散列函数,输出出一个128位(16字节)的散列值(hash value),MD5最初设计为加密散列函数,而目前发现它存在大量漏洞,所以不建议直接用作加密,不过在非加密场景下如:数据完整性校验,文件完整性校验它仍然有广泛的应用。

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    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

安全散列算法(Secure Hash Algorithm,缩写为SHA)是一个加密散列函数家族,是FIPS(美国联邦信息处理标准)所认证的安全散列算法。能计算出一个数字消息所对应到的,长度固定的字符串(又称消息摘要)的算法。且若输入的消息不同,它们对应到不同字符串的机率很高。

它们分别包含 SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3,其中 SHA-0、SHA-1 输出长度是160位,SHA-2 包含 SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256,我们平时常用 SHA-256

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    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,双方持有相同密钥进行加解密,常见的对称加密算法:DES 3DES AES128 AES192 AES256。理解对称加密需要先明白下面几个概念:

  • 分组密码模式:将明文切割进行加密,再将密文拼接到一起。比如AES中会将明文数据切割为大小16字节的数据块,最后一块不够16字节时,使用Padding模式进行补充。
  • 填充(Padding):它有三种模式PKCS5、PKCS7和NOPADDING,PKCS5用缺少的字节数来填充,比如缺少5个字节就填充5个数字5,PKCS7缺少的字节数用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字节数据来区分填充和有效数据,NOPADDING模式不需要填充。
  • 初始化向量:初始向量IV的作用是使加密更加安全可靠,在分组密码模式下IV大小对应数据块长度。
  • 加密模式:四种加密模式分别是:ECB(电子密码本模式)、CBC(密码分组链接模式)、CFB、OFB。ECB模式是仅仅使用明文和密钥来加密数据,所以该模式下不需要Padding,安全性也较弱,CBC模式数据分块并且使用传入IV依次进行异或操作,安全性也相对较高,所以目前一般都选择CBC模式。
  • 加密密钥:不同加密算法密钥长度不同,比如:DES 默认长度56位,3DES默认长度168位,也支持128位,AES默认128位,也支持192位,256位。我们一般根据密码生成密钥,密码长度需要满足算法密钥长度。

DES

DES 是对称加密算法领域中的典型算法,因为密钥默认长度为56 bit,所以密码长度需要大于 8 byteDESKeySpec 取前 8 byte 进行密钥制作。

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 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算法的加强,它使用3条56位的密钥对数据进行三次加密。它以DES为基本模块,通过组合分组方法设计出分组加密算法。比起最初的DES,3DES更为安全。密钥默认长度 168 bit, 密码需要大于24 byte,IV 是 8 byte 的随机数字和字母数组。

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    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 高级数据加密标准,能够有效抵御已知的针对DES算法的所有攻击,默认密钥长度为128 bit,还可以供选择 192 bit256 bitAES-128 AES-192 AES-256

默认 AES-128 ,使用 PBEKeySpec 生成固定大小的密钥。

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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);
        }
    }

使用 AES-256 时可能会出现下面异常:

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 java.security.InvalidKeyException: Illegal key size

JDK 1.8.0_161 及以上版本默认已经启用无限强度加密:

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

JDK 1.8.0_161以前版本需要手动安装 jce 策略文件下载地址

非对称加密算法

非对称加密使用一对密钥,公钥用作加密,私钥则用作解密。关于密钥大小,截至2020年,公开已知的最大RSA密钥是破解的是829位的RSA-250,建议至少使用 2048 位密钥。

非对称加密

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    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);
        }
    }