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快捷導(dǎo)航

Java對稱與非對稱加密算法原理詳細(xì)講解

更新時(shí)間：2022年11月07日 08:39:37 作者：OlaiolaiO

對稱加密算法指加密和解密使用相同密鑰的加密算法。對稱加密算法用來對敏感數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行加密，非對稱加密算法指加密和解密使用不同密鑰的加密算法，也稱為公私鑰加密

一、對稱加密算法

1.概述

對稱加密算法就是傳統(tǒng)的用一個密碼進(jìn)行加密和解密。例如，我們常用的 WinZIP 和 WinRAR 對壓縮包的加密和解密，就是使用對稱加密算法。

從程序的角度看，所謂加密，就是這樣一個函數(shù)：

它接收密碼和明文，然后輸出密文： secret = encrypt(key, message);

而解密則相反，它接收密碼和密文，然后輸出明文： plain = decrypt(key, secret)。

2.常用的對稱加密算法

密鑰長度直接決定加密強(qiáng)度，而工作模式和填充模式可以看成是對稱加密算法的參數(shù)和格式選擇。Java標(biāo)準(zhǔn)庫提供的算法實(shí)現(xiàn)并不包括所有的工作模式和所有填充模式，但是通常我們只需要挑選常用的使用就可以了。

注意：DES 算法由于密鑰過短，現(xiàn)在已經(jīng)不安全了

3.AES加密

AES 算法是目前應(yīng)用最廣泛的加密算法。比較常見的工作模式是 ECB 和 CBC。

①ECB模式

import java.security.*;
import java.util.Base64;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message(原始信息): " + message);
        // 128位密鑰 = 16 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes();
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes();
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted(加密內(nèi)容): " + 
        					Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted(解密內(nèi)容): " + new String(decrypted));
    }
    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
    	// 創(chuàng)建密碼對象，需要傳入算法/工作模式/填充模式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        // 根據(jù)key的字節(jié)內(nèi)容，"恢復(fù)"秘鑰對象
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        // 初始化秘鑰:設(shè)置加密模式ENCRYPT_MODE
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
        // 根據(jù)原始內(nèi)容(字節(jié)),進(jìn)行加密
        return cipher.doFinal(input);
    }
    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
    	// 創(chuàng)建密碼對象，需要傳入算法/工作模式/填充模式
    	Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
    	// 根據(jù)key的字節(jié)內(nèi)容，"恢復(fù)"秘鑰對象
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        // 初始化秘鑰:設(shè)置解密模式DECRYPT_MODE
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
        // 根據(jù)原始內(nèi)容(字節(jié)),進(jìn)行解密
        return cipher.doFinal(input);
    }
}

②CBC模式

ECB 模式是最簡單的 AES 加密模式，它只需要一個固定長度的密鑰，固定的明文會生成固定的密文，這種一對一的加密方式會導(dǎo)致安全性降低，更好的方式是通過 CBC 模式，它需要一個隨機(jī)數(shù)作為 IV 參數(shù)，這樣對于同一份明文，每次生成的密文都不同：

package com.apesource.demo04;
import java.security.*;
import java.util.Base64;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class Main {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message(原始信息): " + message);
        // 256位密鑰 = 32 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef1234567890abcdef".getBytes();
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes();
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted(加密內(nèi)容): " + 
				Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted(解密內(nèi)容): " + new String(decrypted));
    }
    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 設(shè)置算法/工作模式CBC/填充
    	Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
    	// 恢復(fù)秘鑰對象
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        // CBC模式需要生成一個16 bytes的initialization vector:
        SecureRandom sr = SecureRandom.getInstanceStrong();
        byte[] iv = sr.generateSeed(16); // 生成16個字節(jié)的隨機(jī)數(shù)
        System.out.println(Arrays.toString(iv));
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 隨機(jī)數(shù)封裝成IvParameterSpec參數(shù)對象
        // 初始化秘鑰:操作模式、秘鑰、IV參數(shù)
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        // 加密
        byte[] data = cipher.doFinal(input);
        // IV不需要保密，把IV和密文一起返回:
        return join(iv, data);
    }
    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 把input分割成IV和密文:
        byte[] iv = new byte[16];
        byte[] data = new byte[input.length - 16];
        System.arraycopy(input, 0, iv, 0, 16); // IV
        System.arraycopy(input, 16, data, 0, data.length); //密文
        System.out.println(Arrays.toString(iv));
        // 解密:
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); // 密碼對象
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES"); // 恢復(fù)秘鑰
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 恢復(fù)IV
        // 初始化秘鑰:操作模式、秘鑰、IV參數(shù)
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        // 解密操作
        return cipher.doFinal(data);
    }
    // 合并數(shù)組
    public static byte[] join(byte[] bs1, byte[] bs2) {
        byte[] r = new byte[bs1.length + bs2.length];
        System.arraycopy(bs1, 0, r, 0, bs1.length);
        System.arraycopy(bs2, 0, r, bs1.length, bs2.length);
        return r;
    }
}

在 CBC 模式下，需要一個隨機(jī)生成的 16 字節(jié)IV參數(shù)，必須使用 SecureRandom 生成。因?yàn)槎嗔艘粋€ IvParameterSpec 實(shí)例，因此，初始化方法需要調(diào)用 Cipher 的一個重載方法并傳入 IvParameterSpec 。觀察輸出，可以發(fā)現(xiàn)每次生成的 IV 不同，密文也不同。

二、秘鑰交換算法

使用Java實(shí)現(xiàn)DH算法：

import java.math.BigInteger;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import javax.crypto.KeyAgreement;
public class Main04 {
	public static void main(String[] args) {
        // Bob和Alice:
        Person bob = new Person("Bob");
        Person alice = new Person("Alice");
        // 各自生成KeyPair: 公鑰+私鑰
        bob.generateKeyPair();
        alice.generateKeyPair();
        // 雙方交換各自的PublicKey(公鑰):
        // Bob根據(jù)Alice的PublicKey生成自己的本地密鑰(共享公鑰):
        bob.generateSecretKey(alice.publicKey.getEncoded());
        // Alice根據(jù)Bob的PublicKey生成自己的本地密鑰(共享公鑰):
        alice.generateSecretKey(bob.publicKey.getEncoded());
        // 檢查雙方的本地密鑰是否相同:
        bob.printKeys();
        alice.printKeys();
        // 雙方的SecretKey相同，后續(xù)通信將使用SecretKey作為密鑰進(jìn)行AES加解密...
    }
}
// 用戶類
class Person {
    public final String name; // 姓名
    // 密鑰
    public PublicKey publicKey; // 公鑰
    private PrivateKey privateKey; // 私鑰
    private byte[] secretKey; // 本地秘鑰(共享密鑰)
    // 構(gòu)造方法
    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }
    // 生成本地KeyPair:(公鑰+私鑰)
    public void generateKeyPair() {
        try {
        	// 創(chuàng)建DH算法的“秘鑰對”生成器
            KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
            kpGen.initialize(512);
            // 生成一個"密鑰對"
            KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();
            this.privateKey = kp.getPrivate(); // 私鑰
            this.publicKey = kp.getPublic(); // 公鑰
        } catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
    // 按照 "對方的公鑰" => 生成"共享密鑰"
    public void generateSecretKey(byte[] receivedPubKeyBytes) {
        try {
            // 從byte[]恢復(fù)PublicKey:
            X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(receivedPubKeyBytes);
            // 根據(jù)DH算法獲取KeyFactory
            KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("DH");
            // 通過KeyFactory創(chuàng)建公鑰
            PublicKey receivedPublicKey = kf.generatePublic(keySpec);
            // 生成本地密鑰(共享公鑰)
            KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance("DH");
            keyAgreement.init(this.privateKey); // 初始化"自己的PrivateKey"
            keyAgreement.doPhase(receivedPublicKey, true); // 根據(jù)"對方的PublicKey"
            // 生成SecretKey本地密鑰(共享公鑰)
            this.secretKey = keyAgreement.generateSecret();
        } catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
    public void printKeys() {
        System.out.printf("Name: %s\n", this.name);
        System.out.printf("Private key: %x\n", new BigInteger(1, this.privateKey.getEncoded()));
        System.out.printf("Public key: %x\n", new BigInteger(1, this.publicKey.getEncoded()));
        System.out.printf("Secret key: %x\n", new BigInteger(1, this.secretKey));
    }
}

DH 算法是一種密鑰交換協(xié)議，通信雙方通過不安全的信道協(xié)商密鑰，然后進(jìn)行對稱加密傳輸。

三、非對稱加密算法

1.概述

從 DH 算法我們可以看到，公鑰-私鑰組成的密鑰對是非常有用的加密方式，因?yàn)楣 €是可以公開的，而私鑰是完全保密的，由此奠定了非對稱加密的基礎(chǔ)。

非對稱加密：加密和解密使用的不是相同的密鑰，只有同一個公鑰-私鑰對才能正常加解密。

例如：小明要加密一個文件發(fā)送給小紅，他應(yīng)該首先向小紅索取她的公鑰，然后，他用小紅的公鑰加密，把加密文件發(fā)送給小紅，此文件只能由小紅的私鑰解開，因?yàn)樾?紅的私鑰在她自己手里，所以，除了小紅，沒有任何人能解開此文件。

2.RSA算法

非對稱加密的典型算法就是 RSA 算法，它是由Ron Rivest，Adi Shamir，Leonard Adleman這三個人一起發(fā)明的，所以用他們?nèi)齻€人的姓氏首字母縮寫表示。

import java.math.BigInteger;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import javax.crypto.Cipher;
// RSA
public class Main {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		// 明文:
		byte[] plain = "Hello, encrypt use RSA".getBytes("UTF-8");
		// 創(chuàng)建公鑰／私鑰對:
		Human alice = new Human("Alice");
		// 用Alice的公鑰加密:
		// 獲取Alice的公鑰，并輸出
		byte[] pk = alice.getPublicKey();
		System.out.println(String.format("public key(公鑰): %x", new BigInteger(1, pk)));
		// 使用公鑰加密
		byte[] encrypted = alice.encrypt(plain);
		System.out.println(String.format("encrypted(加密): %x", new BigInteger(1, encrypted)));
		// 用Alice的私鑰解密:
		// 獲取Alice的私鑰，并輸出
		byte[] sk = alice.getPrivateKey();
		System.out.println(String.format("private key(私鑰): %x", new BigInteger(1, sk)));
		// 使用私鑰解密
		byte[] decrypted = alice.decrypt(encrypted);
		System.out.println("decrypted(解密): " + new String(decrypted, "UTF-8"));
	}
}
// 用戶類
class Human {
	// 姓名
	String name;
	// 私鑰:
	PrivateKey sk;
	// 公鑰:
	PublicKey pk;
	// 構(gòu)造方法
	public Human(String name) throws GeneralSecurityException {
		// 初始化姓名
		this.name = name;
		// 生成公鑰／私鑰對:
		KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
		kpGen.initialize(1024);
		KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();
		this.sk = kp.getPrivate();
		this.pk = kp.getPublic();
	}
	// 把私鑰導(dǎo)出為字節(jié)
	public byte[] getPrivateKey() {
		return this.sk.getEncoded();
	}
	// 把公鑰導(dǎo)出為字節(jié)
	public byte[] getPublicKey() {
		return this.pk.getEncoded();
	}
	// 用公鑰加密:
	public byte[] encrypt(byte[] message) throws GeneralSecurityException {
		Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
		cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, this.pk); // 使用公鑰進(jìn)行初始化
		return cipher.doFinal(message);
	}
	// 用私鑰解密:
	public byte[] decrypt(byte[] input) throws GeneralSecurityException {
		Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
		cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, this.sk); // 使用私鑰進(jìn)行初始化
		return cipher.doFinal(input);
	}
}

RSA 算法的密鑰有 256 / 512 / 1024 / 2048 / 4096 等不同的長度。長度越長，密碼強(qiáng)度越大，當(dāng)然計(jì)算速度也越慢。

3.非對稱加密算法的優(yōu)缺點(diǎn)

非對稱加密的優(yōu)點(diǎn)：對稱加密需要協(xié)商密鑰，而非對稱加密可以安全地公開各自的公鑰，在N個人之間通信的時(shí)候：使用非對稱加密只需要N個密鑰對，每個人只管理自己的密鑰對。而使用對稱加密需要則需要N*(N-1)/2個密鑰，因此每個人需要管理N-1個密鑰，密鑰管理難度大，而且非常容易泄漏。

非對稱加密的缺點(diǎn)：運(yùn)算速度非常慢，比對稱加密要慢很多。

所以，在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，非對稱加密總是和對稱加密一起使用。

四、總結(jié)

對稱加密算法使用同一個密鑰進(jìn)行加密和解密，常用算法有 DES、AES 和 IDEA 等；
對稱加密算法密鑰長度由算法設(shè)計(jì)決定， AES 的密鑰長度是 128 / 192 / 256 位；
使用對稱加密算法需要指定算法名稱、工作模式和填充模式。
DH算法是一種密鑰交換協(xié)議，通信雙方通過不安全的信道協(xié)商密鑰，進(jìn)行對稱加密傳輸；
非對稱加密就是加密和解密使用的不是相同的密鑰，只有同一個公鑰-私鑰對才能正常加解密。

到此這篇關(guān)于Java對稱與非對稱加密算法實(shí)現(xiàn)詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java對稱與非對稱加密算法內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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目錄

一、對稱加密算法

1.概述

2.常用的對稱加密算法

3.AES加密

①ECB模式

②CBC模式

二、秘鑰交換算法

三、非對稱加密算法

1.概述

2.RSA算法

3.非對稱加密算法的優(yōu)缺點(diǎn)

四、總結(jié)

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一、對稱加密算法

1.概述

2.常用的對稱加密算法

3.AES加密

①ECB模式

②CBC模式

二、秘鑰交換算法

三、非對稱加密算法

1.概述

2.RSA算法

3.非對稱加密算法的優(yōu)缺點(diǎn)

四、總結(jié)

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