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工作中常用的五種加密算法

安全
加密是一種將原始信息(明文)轉(zhuǎn)換成難以被直接理解的形式(密文)的過(guò)程,其主要目的是為了保護(hù)信息的安全和隱私。

最近,項(xiàng)目中做了一些安全性要求的整改。而加密是使用過(guò)程中常用的手段之一。這里簡(jiǎn)單的整理下,希望對(duì)小伙伴有幫助。

使用場(chǎng)景

加密是一種將原始信息(明文)轉(zhuǎn)換成難以被直接理解的形式(密文)的過(guò)程,

其主要目的是為了保護(hù)信息的安全和隱私。主要應(yīng)用于以下場(chǎng)景:

  • 數(shù)據(jù)保密:防止未經(jīng)授權(quán)的個(gè)人身份信息和敏感數(shù)據(jù)。保護(hù)個(gè)人隱私、商業(yè)機(jī)密和國(guó)家機(jī)密。如:公司內(nèi)部文件、云存儲(chǔ)信息防截獲。
  • 數(shù)據(jù)完整性:確保數(shù)據(jù)在傳輸或存儲(chǔ)過(guò)程中未被篡改。如:軟件下載、銀行轉(zhuǎn)賬等。
  • 身份驗(yàn)證:驗(yàn)證通信雙方的身份,確保數(shù)據(jù)是從一個(gè)可信的來(lái)源發(fā)送的,并且在整個(gè)傳輸過(guò)程中沒(méi)有被攔截或篡改。如:用戶(hù)登錄、電子郵件認(rèn)證等。
  • 數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制:加密可以限制對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn),只有擁有正確密鑰的用戶(hù)才能解密和訪問(wèn)數(shù)據(jù)。如:企業(yè)VPN等。
  • 網(wǎng)絡(luò)安全:在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)時(shí),加密可以防止中間人攻擊和其他網(wǎng)絡(luò)攻擊,確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸安全。如:SSL/TLS協(xié)議等。
  • 金融交易安全:在電子商務(wù)和在線銀行中,加密用于保護(hù)交易數(shù)據(jù),防止信用卡欺詐和其他金融犯罪。如:在線支付(金融機(jī)構(gòu)提供的RSA簽名和證書(shū))等。

常用加密算法

1.MD5 加密

(1) 適用場(chǎng)景

MD5 作為一種廣泛使用的哈希函數(shù),主要用于以下場(chǎng)景:

  • 數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn):驗(yàn)證文件傳輸過(guò)程中是否被篡改。
  • 數(shù)字簽名:確保信息傳輸?shù)耐暾院蛠?lái)源的真實(shí)性。
  • 密碼存儲(chǔ):在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)用戶(hù)密碼的哈希值,而非明文。

(2) 功能特性

  • 長(zhǎng)度固定:無(wú)論輸入長(zhǎng)度如何,輸出都是128位(16字節(jié))的哈希值。
  • 快速計(jì)算:MD5 算法計(jì)算速度快,適用于大量數(shù)據(jù)的哈希處理。
  • 不可逆性:MD5 加密是不可逆的,因此通常只有加密過(guò)程,而沒(méi)有解密過(guò)程

(3) 原理及流程圖

MD5 算法將輸入的消息經(jīng)過(guò)填充、分段、循環(huán)處理等步驟,最終生成一個(gè)128位的哈希值。

用字符串"Hello"的加密過(guò)程說(shuō)明 MD5 算法的基本處理流程:

1. 原始輸入(明文)
   |
   |(轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制)
   V
2. 二進(jìn)制數(shù)據(jù) "Hello"
   |
   |(填充到512位的倍數(shù))
   V
3. 填充后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)
   |
   |(添加原始長(zhǎng)度的64位表示)
   V
4. 長(zhǎng)度附加后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)
   |
   |(分割成512位的消息塊)
   V
5. 消息塊1 ... 消息塊n
   |
   |(每塊512位,共16個(gè)32位字)
   V
6. 初始MD5值(ABCD)
   |
   |(通過(guò)主循環(huán)處理每個(gè)塊)
   V
7. 主循環(huán)(每塊16步)
   |_________|_________|
   |          |          |
   V          V          V
8. 經(jīng)過(guò)F, G, H, I函數(shù)的32位字
   |_________|_________|
   |          |          |
   V          V          V
9. 更新后的MD5值
   |
   V
10. 最終MD5散列值(128位)

(4) 代碼實(shí)現(xiàn)

使用 Java 實(shí)現(xiàn) MD5 加密的示例代碼:

import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class MD5Example {

   //用于將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制表示的字符串
    public static String toHexString(byte[] bytes) {
        StringBuilder hexString = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            String hex = Integer.toHexString(0xff & b);
            if (hex.length() == 1) {
                hexString.append('0');
            }
            hexString.append(hex);
        }
        return hexString.toString();
    }

    public static String getMD5(String input) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
            byte[] messageDigest = md.digest(input.getBytes());
            return toHexString(messageDigest);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        String password = "Hello, World!";
        //輸出結(jié)果:65a8e27d8879283831b664bd8b7f0ad4
        System.out.println("MD5 Hash: " + getMD5(password));
    }
}

(5) 注意事項(xiàng)

  • MD5 算法已經(jīng)不再被認(rèn)為是安全的,因此不推薦用于需要高安全性的加密場(chǎng)景。
  • MD5 算法的輸出可以作為數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn),但不應(yīng)用于加密和解密操作。

2.AES 加密

(1) 適用場(chǎng)景

AES(高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn))是一種廣泛使用的對(duì)稱(chēng)加密算法,適用于以下場(chǎng)景:

  • 數(shù)據(jù)傳輸安全:在網(wǎng)絡(luò)通信中加密數(shù)據(jù),保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的隱私和完整性。
  • 文件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ):對(duì)存儲(chǔ)在服務(wù)器或云端的敏感文件進(jìn)行加密。
  • VPN 連接:確保遠(yuǎn)程連接的安全性。

(2) 功能特性

  • 安全性:AES 提供強(qiáng)大的安全性,是目前最推薦使用的對(duì)稱(chēng)加密算法之一。
  • 靈活性:支持128、192和256位的密鑰長(zhǎng)度,適應(yīng)不同的安全級(jí)別需求。
  • 效率高:AES算法效率高,適合大量數(shù)據(jù)的快速加密。

(3) 原理及流程圖

例如,使用AES加密算法加密字符串 "hello"

1. 明文 "hello"
  |
  |(轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式)
  V
2. 128位二進(jìn)制明文
  |
  |(可能需要填充)
  V
3. 填充后的128位二進(jìn)制數(shù)據(jù)
  |
  |(密鑰擴(kuò)展)
  V
4. 生成輪密鑰
  |
  |(初始輪密鑰加)
  V
5. 與輪密鑰異或后的數(shù)據(jù)塊
  |
  |(主輪加密處理)
  V
  |_________________________|
  |                         |
  |   SubBytes(字節(jié)代換)     |
  |_________________________|
  |                         |
  |    ShiftRows(行移位)     |
  |_________________________|
  |                         |
  |   MixColumns (列混淆)    |
  |_________________________|
  |                         |
  |  AddRoundKey(輪密鑰加)   |
  |_________________________|
  V                       V
6. 密文數(shù)據(jù)塊
  |
  V
7. 密文(二進(jìn)制格式)

(4) 示例代碼

對(duì)字符串 "hello" 進(jìn)行AES加密的示例:

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class AESExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 實(shí)例化密鑰生成器,并初始化為AES(128位)
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
             // 初始化128位 ,可修改
            keyGenerator.init(128);
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

            // 實(shí)例化Cipher對(duì)象,用于AES加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);

            // 轉(zhuǎn)換明文字符串 "hello" 為二進(jìn)制數(shù)據(jù)
            String plainText = "hello";
            byte[] plainTextBytes = plainText.getBytes();

            // 加密得到密文
            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainTextBytes);

            // 打印加密后的密文(通常以十六進(jìn)制形式表示)
            System.out.println("Encrypted bytes: " + bytesToHex(encryptedBytes));
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字符串
    private static String bytesToHex(byte[] bytes) {
        StringBuilder hexString = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            String hex = Integer.toHexString(0xff & b);
            if (hex.length() == 1) {
                hexString.append('0');
            }
            hexString.append(hex);
        }
        return hexString.toString();
    }
}

(5) 注意事項(xiàng)

  • AES加密是對(duì)稱(chēng)加密,加密和解密使用相同的密鑰。
  • 密鑰長(zhǎng)度的選擇需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和安全需求來(lái)確定。

3.DES加密

(1) 適用場(chǎng)景

DES(數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn))是一種較早的對(duì)稱(chēng)加密算法,由于密鑰長(zhǎng)度(56位有效密鑰,相對(duì)較短),其安全性相對(duì)較低,一般一些舊的系統(tǒng)中仍然使用。

主要適用場(chǎng)景包括:

數(shù)據(jù)傳輸:在安全性要求不是特別高的場(chǎng)合,DES仍可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用堋?/p>

(2) 功能特性

  • 對(duì)稱(chēng)加密:使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密。
  • 密鑰長(zhǎng)度:實(shí)際有效的密鑰長(zhǎng)度為56位,另外8位用于奇偶性校驗(yàn)。
  • 效率:由于算法較老,在現(xiàn)代硬件上的相對(duì)速度較慢。
  • 安全性:由于密鑰長(zhǎng)度較短,DES容易受到暴力破解攻擊,因此認(rèn)為不安全的。

(3) 原理及流程圖

我們通過(guò)以下步驟使用DES加密字符串 "hello":

1. 明文 "hello"
  |
  |(轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制并填充)
  V
2. 64位二進(jìn)制明文
  |
  |(初始置換 IP)
  V
3. 初始置換后的數(shù)據(jù)塊
  |
  |(密鑰加)
  V
4. 與密鑰異或后的數(shù)據(jù)塊
  |
  |(Feistel網(wǎng)絡(luò)處理)
  V
  |_________________________|
  |                       |
  |          密鑰加       |
  |_________________________|
  |                       |
  |          置換         |
  |_________________________|
  |                       |
  |          代換         |
  |_________________________|
  |                       |
  |          循環(huán)左移     |
  |_________________________|
  V                       V
5. Feistel網(wǎng)絡(luò)輸出
  |
  |(逆置換 IP^-1)
  V
6. 逆置換后的密文塊
  |
  V
7. 密文

(4) 示例代碼(Java)

以下是使用Java代碼對(duì)字符串 "hello" 進(jìn)行DES加密的示例:

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.Base64;

public class DESExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 實(shí)例化密鑰生成器,并初始化為DES
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DES");
            keyGenerator.init(56); // DES密鑰長(zhǎng)度為56位
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

            // 實(shí)例化Cipher對(duì)象,用于DES加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/CBC/PKCS5Padding");
            IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(new byte[8]); // 使用8位的IV
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, iv);

            // 轉(zhuǎn)換明文字符串 "hello" 為二進(jìn)制數(shù)據(jù)
            String plainText = "hello";
            byte[] plainTextBytes = plainText.getBytes("UTF-8");

            // 加密得到密文
            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainTextBytes);

            // 打印加密后的密文(通常以Base64形式表示)
            System.out.println("Encrypted text: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

(5) 注意事項(xiàng)

  • DES由于其較短的密鑰長(zhǎng)度,已不適用于安全性要求高的場(chǎng)合。
  • 在實(shí)際使用中,推薦使用AES或其他更安全的加密算法。

4.國(guó)密算法加密

(1) 適用場(chǎng)景

國(guó)密算法,即中國(guó)國(guó)家商用密碼算法標(biāo)準(zhǔn),包括但不限于SM1、SM2、SM3、SM4等。主要用于:

  • 金融服務(wù):在金融服務(wù)行業(yè)中用于保證交易安全。
  • 政府通信:確保政府?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/li>
  • 企業(yè)數(shù)據(jù)保護(hù):用于保護(hù)商業(yè)機(jī)密和客戶(hù)數(shù)據(jù)。
  • 安全令牌:用于安全令牌的加密。

(2) 功能特性

  • 標(biāo)準(zhǔn)性:國(guó)密算法符合中國(guó)的商用密碼標(biāo)準(zhǔn)。
  • 安全性:可抵御多種已知攻擊方式。
  • 多樣性:包含多種算法,如SM2用于數(shù)字簽名,SM4用于數(shù)據(jù)加密。

(3) 原理及流程圖

使用字符串 "hello" 進(jìn)行說(shuō)明:

1. 明文 "hello"
  |
  |(轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式)
  V
2. 二進(jìn)制明文數(shù)據(jù)
  |
  |(配置密鑰和參數(shù))
  V
3. 初始化加密模塊
  |
  |(設(shè)置SM4密鑰和IV)
  V
4. 使用SM4加密明文
  |
  |(多輪迭代加密處理)
  V
5. 輸出SM4密文

(4) 示例代碼(Java)

使用Java偽代碼對(duì)字符串 "hello" 進(jìn)行SM4加密的示例:

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.Security;

public class SM4Example {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 添加Bouncy Castle安全提供者
            Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());

            // 實(shí)例化密鑰生成器,并初始化為SM4
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("SM4");
            keyGenerator.init(128); // SM4密鑰長(zhǎng)度為128位
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

            // 實(shí)例化Cipher對(duì)象,用于SM4加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("SM4/CBC/PKCS7Padding");
            IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(new byte[16]); // 16字節(jié)的IV
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, iv);

            // 轉(zhuǎn)換明文字符串 "hello" 為二進(jìn)制數(shù)據(jù)
            String plainText = "hello";
            byte[] plainTextBytes = plainText.getBytes("UTF-8");

            // 加密得到密文
            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainTextBytes);

            // 打印加密后的密文(通常以十六進(jìn)制或Base64形式表示)
            System.out.println("Encrypted text: " + bytesToHex(encryptedBytes));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字符串
    private static String bytesToHex(byte[] bytes) {
        StringBuilder hexString = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            String hex = Integer.toHexString(0xff & b);
            if (hex.length() == 1) {
                hexString.append('0');
            }
            hexString.append(hex);
        }
        return hexString.toString();
    }
}

(5) 注意事項(xiàng)

  • 密鑰管理是加密過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),密鑰應(yīng)該安全地生成、存儲(chǔ)和分發(fā)。
  • 國(guó)密算法的使用需要遵守相關(guān)的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。

5. RSA 加密

(1) 適用場(chǎng)景

使用場(chǎng)景:

  • 安全電子郵件:使用 RSA 對(duì)郵件內(nèi)容進(jìn)行加密,確保郵件傳輸過(guò)程中的安全性。
  • SSL/TLS:在 SSL/TLS 協(xié)議中,RSA 用于加密交換對(duì)稱(chēng)密鑰,以建立安全通信。
  • 數(shù)字簽名:RSA 用于生成數(shù)字簽名,驗(yàn)證軟件或文檔的完整性和來(lái)源。
  • 身份驗(yàn)證:用于身份驗(yàn)證過(guò)程,確保通信雙方的身份。

(2) 功能特性

  • 非對(duì)稱(chēng)加密:使用一對(duì)密鑰,公鑰加密,私鑰解密。
  • 安全性:難以破解,安全性高。
  • 密鑰長(zhǎng)度:通常使用 1024 位、2048 位或更長(zhǎng)的密鑰,以提高安全性。

(3) 原理及流程圖

例如,明文"hello"加密解密過(guò)程如下:

1. 明文 "hello"
  |
  |(轉(zhuǎn)換為數(shù)值 m)
  V
2. 使用公鑰 (e, n) 加密
  |___________|
  |           |
  |  m^e mod n|
  |___________|
  |
  V
3. 得到密文 c
  |
  |(使用私鑰 (d, n) 解密)
  V
  |___________|
  |           |
  |  c^d mod n|
  |___________|
  |
  V
4. 恢復(fù)明文 m
  |
  V
5. 明文 "hello"

(4) 程序?qū)崿F(xiàn)

使用Java實(shí)現(xiàn)RSA加密和解密的簡(jiǎn)單示例:

import javax.crypto.Cipher;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;

public class RSAExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 生成密鑰對(duì)
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        keyPairGenerator.initialize(2048);
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();

        // 公鑰和私鑰
        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();

        // 明文
        String plainText = "hello";
        byte[] data = plainText.getBytes();

        // 加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
        byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data);
        System.out.println("Encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData));

        // 解密
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        byte[] decryptedData = cipher.doFinal(encryptedData);
        String decryptedText = new String(decryptedData);
        System.out.println("Decrypted: " + decryptedText);
    }
}

(5) 注意事項(xiàng)

  • 密鑰長(zhǎng)度:推薦使用2048位或更長(zhǎng)的密鑰以確保安全性。
  • 密鑰管理:公鑰可以公開(kāi),但私鑰必須保密,防止泄露。
  • 性能:RSA加密和解密的速度相對(duì)較慢,不適合加密大量數(shù)據(jù)。

總結(jié)

綜上,實(shí)際使用中,常常根據(jù)自身系統(tǒng)特征選擇。比如:執(zhí)行效率、數(shù)據(jù)量、安全合規(guī)要求等,這里給出上述簡(jiǎn)易版整理。

加密算法

名稱(chēng)

有效長(zhǎng)度

特性

是否加密解密

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

MD5

MD5 散列算法

128位

散列函數(shù)

不可逆

速度快,簡(jiǎn)單

安全性低,易受碰撞攻擊

AES

AES 加密算法

128/192/256位

對(duì)稱(chēng)加密


安全性高,效率高

無(wú)嚴(yán)重弱點(diǎn)

DES

DES 加密算法

56位

對(duì)稱(chēng)加密


速度快,曾廣泛使用

密鑰短,安全性低

國(guó)密SM4

SM4 加密算法

128位

對(duì)稱(chēng)加密


符合國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn),安全性好

使用不如AES廣泛

RSA

RSA 加密算法

1024/2048位

非對(duì)稱(chēng)加密


非對(duì)稱(chēng)加密,適合數(shù)字簽名

計(jì)算量大,速度慢

責(zé)任編輯:趙寧寧 來(lái)源: 碼易有道
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