开发安全 008：加密算法

数据加密的基本过程就是对原来为明文的文件或数据按某种算法进行处理，使其成为不可读的一段代码为”密文”，使其只能在输入相应的密钥之后才能显示出原容，通过这样的途径来达到保护数据不被非法人窃取、阅读的目的。该过程的逆过程为解密，即将该编码信息转化为其原来数据的过程。本文主要介绍安全算法之加密算法。

加密算法简介

加密技术包括两个元素：加密算法和密钥。

加密算法是将普通的文本（或者可以理解的信息）与一串数字（密钥）的结合，产生不可理解的密文的步骤
密钥是用来对数据进行编码和解码的一种算法

在安全保密中，可通过适当的密钥加密技术和管理机制来保证网络的信息通讯安全。

加密算法分类

密钥加密技术的密码体制分为对称密钥体制和非对称密钥体制两种。相应地，对数据加密的技术分为两类，即对称加密（私人密钥加密）和非对称加密（公开密钥加密）。

对称加密以数据加密标准（DES，Data Encryption Standard）算法为典型代表，非对称加密通常以 RSA（Rivest Shamir Adleman）算法为代表。

对比项	对称加密	非对称加密
密钥	加密密钥和解密密钥相同	加密密钥和解密密钥不同
密钥保密性	密钥需双方共享并保密	加密密钥可以公开，而解密密钥需要保密
典型算法	DES、IDEA	RSA

加密算法应用

常被用在电子商务或者其他需要保证网络传输安全的范围。

对称加密

加密密钥和解密密钥相同的加密算法。

对称加密算法使用起来简单快捷，密钥较短，且破译困难。除了数据加密标准（DES），另一个对称密钥加密系统是国际数据加密算法（IDEA），它比 DES 的加密性好，而且对计算机功能要求也没有那么高。IDEA 加密标准由 PGP（Pretty Good Privacy）系统使用。

DES

DES 全称为 Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法，现在已经过时。

代码实现：

package com.snailclimb.ks.securityAlgorithm;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.SecureRandom;

import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.Cipher;

/**
 * DES加密介绍
 * DES是一种对称加密算法，所谓"对称加密算法"即：加密和解密使用相同密钥的算法。DES加密算法
 * 后来被美国政府正式采用，之后开始广泛流传，但是近些年使用越来越少，因为DES使用56位密钥，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，本文简单讲解DES的Java实现。
 * 注意：DES加密和解密过程中，密钥长度都必须是8的倍数
 */
public class DesDemo {

    public DesDemo() {
    }

    // 测试
    public static void main(String args[]) {
        // 待加密内容
        String str = "cryptology";
        // 密码，长度要是8的倍数
        String password = "95880288";
        byte[] result;
        try {
            result = DesDemo.encrypt(str.getBytes(), password);
            System.out.println("加密后：" + result);
            byte[] decryResult = DesDemo.decrypt(result, password);
            System.out.println("解密后：" + new String(decryResult));
        } catch (UnsupportedEncodingException e2) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e2.printStackTrace();
        } catch (Exception e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 加密
     *
     * @param datasource byte[]
     * @param password   String
     * @return byte[]
     */
    public static byte[] encrypt(byte[] datasource, String password) {
        try {
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(password.getBytes());
            // 创建一个密匙工厂，然后用它把DESKeySpec转换成
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);
            // Cipher对象实际完成加密操作
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
            // 用密匙初始化Cipher对象，ENCRYPT_MODE用于将Cipher初始化为加密模式的常量
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, securekey, random);
            // 现在，获取数据并加密
            // 正式执行加密操作
            return cipher.doFinal(datasource); // 按单部分操作加密或解密数据，或者结束一个多部分操作
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    /**
     * 解密
     *
     * @param src      byte[]
     * @param password String
     * @return byte[]
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] decrypt(byte[] src, String password) throws Exception {
        // DES算法要求有一个可信任的随机数源
        SecureRandom random = new SecureRandom();
        // 创建一个DESKeySpec对象
        DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(password.getBytes());
        // 创建一个密匙工厂
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES"); // 返回指定转换的SecretKeyFactory对象
        // 将DESKeySpec对象转换成SecretKey对象
        SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);
        // Cipher对象实际完成解密操作
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
        // 用密匙初始化Cipher对象
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, securekey, random);
        // 真正开始解密操作
        return cipher.doFinal(src);
    }
}

结果：

加密后：[B@50cbc42f
解密后：cryptology

IDEA

这种算法是在 DES 算法的基础上发展出来的，类似于三重 DES。发展 IDEA 也是因为感到 DES 具有密钥太短等缺点。IDEA 的密钥为 128 位，这么长的密钥在今后若干年内应该是安全的。在实际项目中用到的很少，了解即可。

代码实现：

package com.snailclimb.ks.securityAlgorithm;

import java.security.Key;
import java.security.Security;

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

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;

public class IDEADemo {

    public static void main(String args[]) {
        bcIDEA();
    }

    public static void bcIDEA() {
        String src = "www.xttblog.com security idea";
        try {
            Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());

            // 生成key
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("IDEA");
            keyGenerator.init(128);
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            byte[] keyBytes = secretKey.getEncoded();

            // 转换密钥
            Key key = new SecretKeySpec(keyBytes, "IDEA");

            // 加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("IDEA/ECB/ISO10126Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
            byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
            System.out.println("bc idea encrypt : " + Base64.encodeBase64String(result));

            // 解密
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
            result = cipher.doFinal(result);
            System.out.println("bc idea decrypt : " + new String(result));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

非对称加密

与对称加密算法不同，非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥（publickey）和私有密钥（privatekey）。

公开密钥与私有密钥是一对：如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法叫作非对称加密算法。

RSA

RSA 是目前最有影响力和最常用的公钥加密算法，它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击，已被 ISO 推荐为公钥数据加密标准。

代码实现（依赖 commons-codec 包）：

package com.snailclimb.ks.securityAlgorithm;

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

import java.security.*;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

import javax.crypto.Cipher;

/**
 * Created by humf. 需要依赖 commons-codec 包
 */
public class RSADemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Map<String, Key> keyMap = initKey();
        String publicKey = getPublicKey(keyMap);
        String privateKey = getPrivateKey(keyMap);

        System.out.println(keyMap);
        System.out.println("-----------------------------------");
        System.out.println(publicKey);
        System.out.println("-----------------------------------");
        System.out.println(privateKey);
        System.out.println("-----------------------------------");

        byte[] encryptByPrivateKey = encryptByPrivateKey("123456".getBytes(), privateKey);
        byte[] encryptByPublicKey = encryptByPublicKey("123456", publicKey);
        System.out.println(encryptByPrivateKey);
        System.out.println("-----------------------------------");
        System.out.println(encryptByPublicKey);
        System.out.println("-----------------------------------");

        String sign = sign(encryptByPrivateKey, privateKey);
        System.out.println(sign);
        System.out.println("-----------------------------------");
        boolean verify = verify(encryptByPrivateKey, publicKey, sign);
        System.out.println(verify);
        System.out.println("-----------------------------------");

        byte[] decryptByPublicKey = decryptByPublicKey(encryptByPrivateKey, publicKey);
        byte[] decryptByPrivateKey = decryptByPrivateKey(encryptByPublicKey, privateKey);
        System.out.println(decryptByPublicKey);
        System.out.println("-----------------------------------");
        System.out.println(decryptByPrivateKey);
    }

    public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";
    public static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "MD5withRSA";

    private static final String PUBLIC_KEY = "RSAPublicKey";
    private static final String PRIVATE_KEY = "RSAPrivateKey";

    public static byte[] decryptBASE64(String key) {
        return Base64.decodeBase64(key);
    }

    public static String encryptBASE64(byte[] bytes) {
        return Base64.encodeBase64String(bytes);
    }

    /**
     * 用私钥对信息生成数字签名
     *
     * @param data       加密数据
     * @param privateKey 私钥
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String sign(byte[] data, String privateKey) throws Exception {
        // 解密由base64编码的私钥
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(privateKey);
        // 构造PKCS8EncodedKeySpec对象
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
        // KEY_ALGORITHM 指定的加密算法
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        // 取私钥匙对象
        PrivateKey priKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        // 用私钥对信息生成数字签名
        Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
        signature.initSign(priKey);
        signature.update(data);
        return encryptBASE64(signature.sign());
    }

    /**
     * 校验数字签名
     *
     * @param data      加密数据
     * @param publicKey 公钥
     * @param sign      数字签名
     * @return 校验成功返回true 失败返回false
     * @throws Exception
     */
    public static boolean verify(byte[] data, String publicKey, String sign) throws Exception {
        // 解密由base64编码的公钥
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(publicKey);
        // 构造X509EncodedKeySpec对象
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        // KEY_ALGORITHM 指定的加密算法
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        // 取公钥匙对象
        PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(keySpec);
        Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
        signature.initVerify(pubKey);
        signature.update(data);
        // 验证签名是否正常
        return signature.verify(decryptBASE64(sign));
    }

    public static byte[] decryptByPrivateKey(byte[] data, String key) throws Exception {
        // 对密钥解密
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(key);
        // 取得私钥
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        Key privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        // 对数据解密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    /**
     * 解密<br>
     * 用私钥解密
     *
     * @param data
     * @param key
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] decryptByPrivateKey(String data, String key) throws Exception {
        return decryptByPrivateKey(decryptBASE64(data), key);
    }

    /**
     * 解密<br>
     * 用公钥解密
     *
     * @param data
     * @param key
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] decryptByPublicKey(byte[] data, String key) throws Exception {
        // 对密钥解密
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(key);
        // 取得公钥
        X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        Key publicKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
        // 对数据解密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    /**
     * 加密<br>
     * 用公钥加密
     *
     * @param data
     * @param key
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] encryptByPublicKey(String data, String key) throws Exception {
        // 对公钥解密
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(key);
        // 取得公钥
        X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        Key publicKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
        // 对数据加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
        return cipher.doFinal(data.getBytes());
    }

    /**
     * 加密<br>
     * 用私钥加密
     *
     * @param data
     * @param key
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] encryptByPrivateKey(byte[] data, String key) throws Exception {
        // 对密钥解密
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(key);
        // 取得私钥
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        Key privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        // 对数据加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    /**
     * 取得私钥
     *
     * @param keyMap
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String getPrivateKey(Map<String, Key> keyMap) throws Exception {
        Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
        return encryptBASE64(key.getEncoded());
    }

    /**
     * 取得公钥
     *
     * @param keyMap
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String getPublicKey(Map<String, Key> keyMap) throws Exception {
        Key key = keyMap.get(PUBLIC_KEY);
        return encryptBASE64(key.getEncoded());
    }

    /**
     * 初始化密钥
     *
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static Map<String, Key> initKey() throws Exception {
        KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        keyPairGen.initialize(1024);
        KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
        Map<String, Key> keyMap = new HashMap(2);
        keyMap.put(PUBLIC_KEY, keyPair.getPublic());  // 公钥
        keyMap.put(PRIVATE_KEY, keyPair.getPrivate()); // 私钥
        return keyMap;
    }
}

结果：

{RSAPublicKey=Sun RSA public key, 1024 bits
  modulus: 115328826086047873902606456571034976538836553998745367981848911677968062571...
  public exponent: 65537, RSAPrivateKey=sun.security.rsa.RSAPrivateCrtKeyImpl@93479}
-----------------------------------
MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQCkO9PBTOFJQTkzznALN62PU7ixd9YFjXrt2dPOGj3wwhymbO...
-----------------------------------
MIICdQIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCAl8wggJbAgEAAoGBAKQ708FM4UlBOTPOcAs3rY9TuLF31gWNeu3Z08...
-----------------------------------
[B@387c703b
-----------------------------------
[B@224aed64
-----------------------------------
la4Hc4n/UbeBu0z9iLRuwKVv014SiOJMXkO5qdJvKBsw0MlnsrM+89a3p73yMrb1dAnCU/2kgO0PtFpvmG8pzx...
-----------------------------------
true
-----------------------------------
[B@c39f790
-----------------------------------
[B@71e7a66b

CHARLIE SAYS