Java中對稱與非對稱加密算法原理與使用方法是什么

本篇內容介紹了“Java中對稱與非對稱加密算法原理與使用方法是什么”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

1. 加密概念

密碼學是研究編制密碼和破譯密碼的技術科學。以數學為基礎，在加密和解密、攻擊和防守、矛和盾的對抗過程中交替發展起來。從數學算法的角度看，它包含對稱密碼算法、非對稱密碼算法和雜湊算法。

我們先來看下加密中經常提到的一些概念吧！

• 明文：明文指的是未被加密過的原始數據。

• 密文：明文被某種加密算法加密之后，會變成密文，從而確保原始數據的安全。密文也可以被解密，得到原始的明文。

• 密鑰：密鑰是一種參數，它是在明文轉換為密文或將密文轉換為明文的算法中輸入的參數。密鑰分為對稱密鑰與非對稱密鑰，分別應用在對稱加密和非對稱加密上。

2. 對稱加密

對稱加密又叫做私鑰加密，即信息的發送方和接收方使用同一個密鑰去加密和解密數據。對稱加密的特點是算法公開、加密和解密速度快，適合于對大數據量進行加密。

加密過程如下：明文 + 加密算法 + 私鑰 => 密文

解密過程如下：密文 + 解密算法 + 私鑰 => 明文

對稱加密中用到的密鑰叫做私鑰，私鑰表示個人私有的密鑰，即該密鑰不能被泄露。 其加密過程中的私鑰與解密過程中用到的私鑰是同一個密鑰，這也是稱加密之所以稱之為“對稱”的原因。由于對稱加密的算法是公開的，所以一旦私鑰被泄露，那么密文就很容易被破解，所以對稱加密的缺點是密鑰安全管理困難。

如果你不是很理解，就看這個通俗易懂的例子：

甲對乙說，我這有一把鎖，以后我們互相傳消息，就把消息放盒子里，然后用這個鎖鎖上再傳，這個鎖有兩把一模一樣的鑰匙，咱倆一人一把，說完甲把鑰匙遞給了乙。

3. 非對稱加密

非對稱加密也叫做公鑰加密。非對稱加密與對稱加密相比，其安全性更好。對稱加密的通信雙方使用相同的密鑰，如果一方的密鑰遭泄露，那么整個通信就會被破解。而非對稱加密使用一對密鑰，即公鑰和私鑰，且二者成對出現。私鑰被自己保存，不能對外泄露。公鑰指的是公共的密鑰，任何人都可以獲得該密鑰。用公鑰或私鑰中的任何一個進行加密，用另一個進行解密。

被公鑰加密過的密文只能被私鑰解密，過程如下：

明文 + 加密算法 + 公鑰 => 密文， 密文 + 解密算法 + 私鑰 => 明文

由于加密和解密使用了兩個不同的密鑰，這就是非對稱加密“非對稱”的原因。非對稱加密的缺點是加密和解密花費時間長、速度慢，只適合對少量數據進行加密。

如果你不是很理解，就看這個通俗易懂的例子：

甲對乙說，我這里有A型號鎖，對應鑰匙A，我給你一大箱子A鎖，但是鑰匙A不給你，以后你給我發消息就用A鎖鎖在盒子里給我，然后我自己用鑰匙A就能打開看。

乙對甲說，我這里有B型號鎖，對應鑰匙B，我給你一大箱子B鎖，但是鑰匙B不給你，以后你給我發消息就用B鎖鎖在盒子里給我，然后我自己用鑰匙B就能打開看。

4. 常見加密算法比較

加密算法分 對稱加密 和 非對稱加密，其中對稱加密算法的加密與解密 密鑰相同，非對稱加密算法的加密密鑰與解密 密鑰不同，此外，還有一類 不需要密鑰 的 散列算法。

常見的 對稱加密 算法主要有 DES、3DES、AES 等，常見的 非對稱算法 主要有 RSA、ECC 等，散列算法 主要有 SHA-1、MD5 等。

4.1. 散列算法比較

4.2. 對稱加密算法比較

4.3. 非對稱加密算法比較

對稱加密 的 密鑰管理比較難，不適合互聯網，一般用于內部系統，安全性只能算中等，但加密速度快好 幾個數量級 (軟件加解密速度至少快 100 倍，每秒可以加解密數 M 比特 數據)，適合大數據量的加解密處理。非對稱加密 的 密鑰容易管理，安全性也較高，但是加密速度比較慢，適合 小數據量 加解密或數據簽名。

5. 常見加密算法使用

5.1. MD5算法

MD5 用的是 哈希函數，它的典型應用是對一段信息產生 信息摘要，以 防止被篡改。嚴格來說，MD5 不是一種 加密算法 而是 摘要算法。無論是多長的輸入，MD5 都會輸出長度為 128bits 的一個串 (通常用 16 進制 表示為 32 個字符)。

Java使用案例：

public static final byte[] computeMD5(byte[] content) {
    try {
        MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
        return md5.digest(content);
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

5.2. SHA1算法

SHA1 是和 MD5 一樣流行的 消息摘要算法，然而 SHA1 比 MD5 的 安全性更強。對于長度小于 2 ^ 64 位的消息，SHA1 會產生一個 160 位的 消息摘要。基于 MD5、SHA1 的信息摘要特性以及 不可逆 (一般而言)，可以被應用在檢查 文件完整性 以及 數字簽名 等場景。

Java使用案例：

public static byte[] computeSHA1(byte[] content) {
    try {
        MessageDigest sha1 = MessageDigest.getInstance("SHA1");
        return sha1.digest(content);
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

5.3. HMAC算法

MAC 是密鑰相關的 哈希運算消息認證碼（Hash-based Message Authentication Code），HMAC 運算利用 哈希算法 (MD5、SHA1 等)，以 一個密鑰 和 一個消息 為輸入，生成一個 消息摘要 作為 輸出。HMAC 發送方 和 接收方 都有的 key 進行計算，而沒有這把 key 的第三方，則是 無法計算 出正確的 散列值的，這樣就可以 防止數據被篡改。

Java使用案例：

package net.pocrd.util;
import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import net.pocrd.define.ConstField;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Arrays;


@NotThreadSafe
public class HMacHelper {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(HMacHelper.class);
    private Mac mac;

    /**
     * MAC算法可選以下多種算法
     * HmacMD5/HmacSHA1/HmacSHA256/HmacSHA384/HmacSHA512
     */
    private static final String KEY_MAC = "HmacMD5";
    public HMacHelper(String key) {
        try {
            SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key.getBytes(ConstField.UTF8), KEY_MAC);
            mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
            mac.init(secretKey);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("create hmac helper failed.", e);
        }
    }
    public byte[] sign(byte[] content) {
        return mac.doFinal(content);
    }

    public boolean verify(byte[] signature, byte[] content) {
        try {
            byte[] result = mac.doFinal(content);
            return Arrays.equals(signature, result);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("verify sig failed.", e);
        }
        return false;
    }

}

注意：HMAC 算法實例在 多線程環境 下是 不安全的。但是需要在 多線程訪問 時，進行同步的輔助類，使用 ThreadLocal 為 每個線程緩存 一個實例可以避免進行鎖操作。

5.4. AES算法

ES、DES、3DES 都是 對稱 的 塊加密算法，加解密 的過程是 可逆的。常用的有 AES128、AES192、AES256 (默認安裝的 JDK 尚不支持 AES256，需要安裝對應的 jce 補丁進行升級 jce1.7，jce1.8)。

DES 加密算法是一種 分組密碼，以 64 位為 分組對數據 加密，它的 密鑰長度 是 56 位，加密解密 用 同一算法。DES 加密算法是對 密鑰 進行保密，而 公開算法，包括加密和解密算法。這樣，只有掌握了和發送方 相同密鑰 的人才能解讀由 DES加密算法加密的密文數據。因此，破譯 DES 加密算法實際上就是 搜索密鑰的編碼。對于 56 位長度的 密鑰 來說，如果用 窮舉法 來進行搜索的話，其運算次數為 2 ^ 56 次。3DES 是基于 DES 的 對稱算法，對 一塊數據 用 三個不同的密鑰 進行 三次加密，強度更高。

AES 加密算法是密碼學中的 高級加密標準，該加密算法采用 對稱分組密碼體制，密鑰長度的最少支持為 128 位、 192 位、256 位，分組長度 128 位，算法應易于各種硬件和軟件實現。AES 本身就是為了取代 DES 的，AES 具有更好的 安全性、效率 和 靈活性。

Java使用案例：

import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.SecureRandom;

@NotThreadSafe
public class AesHelper {

    private SecretKeySpec keySpec;
    private IvParameterSpec iv;

    public AesHelper(byte[] aesKey, byte[] iv) {
        if (aesKey == null || aesKey.length < 16 || (iv != null && iv.length < 16)) {
            throw new RuntimeException("錯誤的初始密鑰");
        }
        if (iv == null) {
            iv = Md5Util.compute(aesKey);
        }
        keySpec = new SecretKeySpec(aesKey, "AES");
        this.iv = new IvParameterSpec(iv);
    }

    public AesHelper(byte[] aesKey) {
        if (aesKey == null || aesKey.length < 16) {
            throw new RuntimeException("錯誤的初始密鑰");
        }
        keySpec = new SecretKeySpec(aesKey, "AES");
        this.iv = new IvParameterSpec(Md5Util.compute(aesKey));
    }

    public byte[] encrypt(byte[] data) {
        byte[] result = null;
        Cipher cipher = null;
        try {
            cipher = Cipher.getInstance("AES/CFB/NoPadding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, iv);
            result = cipher.doFinal(data);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        return result;
    }

    public byte[] decrypt(byte[] secret) {
        byte[] result = null;
        Cipher cipher = null;
        try {
            cipher = Cipher.getInstance("AES/CFB/NoPadding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, iv);
            result = cipher.doFinal(secret);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        return result;
    }

    public static byte[] randomKey(int size) {
        byte[] result = null;
        try {
            KeyGenerator gen = KeyGenerator.getInstance("AES");
            gen.init(size, new SecureRandom());
            result = gen.generateKey().getEncoded();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        return result;
    }

}

5.5. RSA算法

RSA 加密算法是目前最有影響力的 公鑰加密算法，并且被普遍認為是目前 最優秀的公鑰方案 之一。RSA 是第一個能同時用于 加密 和 數字簽名 的算法，它能夠抵抗到目前為止已知的 所有密碼攻擊，已被 ISO 推薦為公鑰數據加密標準。

RSA 加密算法 基于一個十分簡單的數論事實：將兩個大 素數 相乘十分容易，但想要對其乘積進行 因式分解 卻極其困難，因此可以將 乘積 公開作為 加密密鑰。

Java使用案例：

import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import javax.crypto.Cipher;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.Security;
import java.security.Signature;
import java.security.interfaces.RSAPrivateCrtKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

@NotThreadSafe
public class RsaHelper {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RsaHelper.class);
    private RSAPublicKey publicKey;
    private RSAPrivateCrtKey privateKey;

    static {
        // 使用bouncycastle作為加密算法實現
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider()); 
    }

    public RsaHelper(String publicKey, String privateKey) {
        this(Base64Util.decode(publicKey), Base64Util.decode(privateKey));
    }

    public RsaHelper(byte[] publicKey, byte[] privateKey) {
        try {
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
            if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
                this.publicKey = (RSAPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
            }
            if (privateKey != null && privateKey.length > 0) {
                this.privateKey = (RSAPrivateCrtKey)keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));
            }
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public RsaHelper(String publicKey) {
        this(Base64Util.decode(publicKey));
    }

    public RsaHelper(byte[] publicKey) {
        try {
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
            if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
                this.publicKey = (RSAPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
            }
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public byte[] encrypt(byte[] content) {
        if (publicKey == null) {
            throw new RuntimeException("public key is null.");
        }

        if (content == null) {
            return null;
        }

        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
            int size = publicKey.getModulus().bitLength() / 8 - 11;
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((content.length + size - 1) / size * (size + 11));
            int left = 0;
            for (int i = 0; i < content.length; ) {
                left = content.length - i;
                if (left > size) {
                    cipher.update(content, i, size);
                    i += size;
                } else {
                    cipher.update(content, i, left);
                    i += left;
                }
                baos.write(cipher.doFinal());
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public byte[] decrypt(byte[] secret) {
        if (privateKey == null) {
            throw new RuntimeException("private key is null.");
        }

        if (secret == null) {
            return null;
        }

        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
            int size = privateKey.getModulus().bitLength() / 8;
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((secret.length + size - 12) / (size - 11) * size);
            int left = 0;
            for (int i = 0; i < secret.length; ) {
                left = secret.length - i;
                if (left > size) {
                    cipher.update(secret, i, size);
                    i += size;
                } else {
                    cipher.update(secret, i, left);
                    i += left;
                }
                baos.write(cipher.doFinal());
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            logger.error("rsa decrypt failed.", e);
        }
        return null;
    }

    public byte[] sign(byte[] content) {
        if (privateKey == null) {
            throw new RuntimeException("private key is null.");
        }
        if (content == null) {
            return null;
        }
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance("SHA1WithRSA");
            signature.initSign(privateKey);
            signature.update(content);
            return signature.sign();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public boolean verify(byte[] sign, byte[] content) {
        if (publicKey == null) {
            throw new RuntimeException("public key is null.");
        }
        if (sign == null || content == null) {
            return false;
        }
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance("SHA1WithRSA");
            signature.initVerify(publicKey);
            signature.update(content);
            return signature.verify(sign);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("rsa verify failed.", e);
        }
        return false;
    }
}

5.6. ECC算法

ECC 也是一種 非對稱加密算法，主要優勢是在某些情況下，它比其他的方法使用 更小的密鑰，比如 RSA 加密算法，提供 相當的或更高等級 的安全級別。不過一個缺點是 加密和解密操作 的實現比其他機制 時間長 (相比 RSA 算法，該算法對 CPU 消耗嚴重)。

Java使用案例：

import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.ec.BCECPrivateKey;
import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.ec.BCECPublicKey;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import javax.crypto.Cipher;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.Security;
import java.security.Signature;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

@NotThreadSafe
public class EccHelper {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(EccHelper.class);
    private static final int SIZE = 4096;
    private BCECPublicKey  publicKey;
    private BCECPrivateKey privateKey;

    static {
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    }

    public EccHelper(String publicKey, String privateKey) {
        this(Base64Util.decode(publicKey), Base64Util.decode(privateKey));
    }

    public EccHelper(byte[] publicKey, byte[] privateKey) {
        try {
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC", "BC");
            if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
                this.publicKey = (BCECPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
            }
            if (privateKey != null && privateKey.length > 0) {
                this.privateKey = (BCECPrivateKey)keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));
            }
        } catch (ClassCastException e) {
            throw new RuntimeException("", e);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public EccHelper(String publicKey) {
        this(Base64Util.decode(publicKey));
    }

    public EccHelper(byte[] publicKey) {
        try {
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC", "BC");
            if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
                this.publicKey = (BCECPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
            }
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public byte[] encrypt(byte[] content) {
        if (publicKey == null) {
            throw new RuntimeException("public key is null.");
        }
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("ECIES", "BC");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
            int size = SIZE;
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((content.length + size - 1) / size * (size + 45));
            int left = 0;
            for (int i = 0; i < content.length; ) {
                left = content.length - i;
                if (left > size) {
                    cipher.update(content, i, size);
                    i += size;
                } else {
                    cipher.update(content, i, left);
                    i += left;
                }
                baos.write(cipher.doFinal());
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public byte[] decrypt(byte[] secret) {
        if (privateKey == null) {
            throw new RuntimeException("private key is null.");
        }
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("ECIES", "BC");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
            int size = SIZE + 45;
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((secret.length + size + 44) / (size + 45) * size);
            int left = 0;
            for (int i = 0; i < secret.length; ) {
                left = secret.length - i;
                if (left > size) {
                    cipher.update(secret, i, size);
                    i += size;
                } else {
                    cipher.update(secret, i, left);
                    i += left;
                }
                baos.write(cipher.doFinal());
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            logger.error("ecc decrypt failed.", e);
        }
        return null;
    }

    public byte[] sign(byte[] content) {
        if (privateKey == null) {
            throw new RuntimeException("private key is null.");
        }
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withECDSA", "BC");
            signature.initSign(privateKey);
            signature.update(content);
            return signature.sign();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public boolean verify(byte[] sign, byte[] content) {
        if (publicKey == null) {
            throw new RuntimeException("public key is null.");
        }
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withECDSA", "BC");
            signature.initVerify(publicKey);
            signature.update(content);
            return signature.verify(sign);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("ecc verify failed.", e);
        }
        return false;
    }

}

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