五種常見的加密算法，建議掌握！
作者：猿java
本文我們分析了五種常見的加密算法，不同的加密方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
在實(shí)際工作中，對(duì)于數(shù)據(jù)保護(hù)、身份驗(yàn)證、通信安全這些有數(shù)據(jù)安全的場(chǎng)景，我們通常會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。那么，常用的加密技術(shù)有哪些？它們有什么優(yōu)缺點(diǎn)？我們?cè)撊绾芜x擇？這篇文章我們來聊一聊 5種常見的加密算法。
1. 對(duì)稱加密
對(duì)稱加密（Symmetric Encryption）是工作中比較常見的一種基于密鑰的加密技術(shù)，它的特點(diǎn)就是使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密，算法簡(jiǎn)單高效。
對(duì)稱加密常見的算法：
- AES（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）：目前最廣泛使用的對(duì)稱加密算法，具有高安全性和高效性。
- DES（數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)）：較早的對(duì)稱加密算法，因安全性較低現(xiàn)已較少使用。
- 3DES（Triple DES）：對(duì)DES算法的改進(jìn)，通過三次加密提高安全性。
- Blowfish、Twofish：適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的靈活對(duì)稱加密算法。
優(yōu)點(diǎn)：
- 高安全性，被廣泛認(rèn)可和使用。
- 支持多種密鑰長(zhǎng)度（128、192、256位）。
- 加解密速度快，適合大數(shù)據(jù)量加密。
缺點(diǎn)：
- 密鑰分發(fā)問題，需確保密鑰在發(fā)送方和接收方之間安全傳輸。
- 不適合加密少量數(shù)據(jù)或需要頻繁修改密鑰的場(chǎng)景。
使用場(chǎng)景：
- 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)加密：如磁盤加密（BitLocker、FileVault）、數(shù)據(jù)庫(kù)加密，確保存儲(chǔ)在磁盤或數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)不被未授權(quán)訪問。
- 通信加密：用于VPN、TLS/SSL協(xié)議中的數(shù)據(jù)傳輸加密，保障網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)密性和完整性。
- 應(yīng)用程序加密：保護(hù)應(yīng)用程序內(nèi)部的數(shù)據(jù)，如配置文件、緩存數(shù)據(jù)等。
Java示例：
以下的示例展示了如何使用 Java實(shí)現(xiàn)AES 加密與解密。
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;
publicclass AESDemo {
// 生成AES密鑰
public static SecretKey generateAESKey(int n) throws Exception {
KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
keyGen.init(n); // 128, 192, or 256
return keyGen.generateKey();
}
// 加密
public static String encrypt(String data, SecretKey key) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] encrypted = cipher.doFinal(data.getBytes("UTF-8"));
return Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted);
}
// 解密
public static String decrypt(String encryptedData, SecretKey key) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
byte[] decrypted = cipher.doFinal(decodedBytes);
returnnew String(decrypted, "UTF-8");
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
String originalText = "Hello, AES Encryption!";
SecretKey secretKey = generateAESKey(128);
String encryptedText = encrypt(originalText, secretKey);
System.out.println("Encrypted: " + encryptedText);
String decryptedText = decrypt(encryptedText, secretKey);
System.out.println("Decrypted: " + decryptedText);
}
}2. 非對(duì)稱加密
非對(duì)稱加密（Asymmetric Encryption）是對(duì)稱加密的一個(gè)升級(jí)版本，不再使用相同的秘密，而是使用了一對(duì)密鑰——公鑰和私鑰。公鑰用于加密，私鑰用于解密，密鑰之間數(shù)學(xué)相關(guān)但無法從公鑰輕易推導(dǎo)出私鑰。
非對(duì)稱加密的常見算法：
- RSA：廣泛應(yīng)用的非對(duì)稱加密算法，適用于數(shù)據(jù)加密和數(shù)字簽名。
- ECC（橢圓曲線加密）：在相同安全水平下具有更短密鑰長(zhǎng)度，效率更高，適用于移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)。
- DSA（數(shù)字簽名算法）：主要用于數(shù)字簽名，確保數(shù)據(jù)的完整性和來源。
使用場(chǎng)景：
- 安全通信：用于SSL/TLS協(xié)議中的密鑰交換，確保雙方通信的安全性。
- 數(shù)字簽名：驗(yàn)證數(shù)據(jù)的來源和完整性，如電子郵件簽名、代碼簽名、文件簽名等。
- 身份驗(yàn)證：在身份驗(yàn)證系統(tǒng)中，使用公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）進(jìn)行用戶身份驗(yàn)證和授權(quán)。
Java示例：
以下的示例展示了如何使用 Java實(shí)現(xiàn)RSA 加密與解密。
import java.security.*;
import javax.crypto.Cipher;
import java.util.Base64;
publicclass RSADemo {
// 生成RSA密鑰對(duì)
public static KeyPair generateRSAKeyPair(int keySize) throws NoSuchAlgorithmException {
KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
keyGen.initialize(keySize, new SecureRandom());
return keyGen.generateKeyPair();
}
// 使用RSA公鑰加密
public static String encrypt(String data, PublicKey publicKey) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding"); // 使用OAEP填充
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(data.getBytes("UTF-8"));
return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
}
// 使用RSA私鑰解密
public static String decrypt(String encryptedData, PrivateKey privateKey) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding"); // 使用OAEP填充
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedData));
returnnew String(decryptedBytes, "UTF-8");
}
public static void main(String[] args) {
try {
String originalText = "Hello, This is RSA Encryption!";
// 生成RSA密鑰對(duì)
KeyPair keyPair = generateRSAKeyPair(2048);
// 加密
String encryptedText = encrypt(originalText, keyPair.getPublic());
System.out.println("Encrypted (RSA): " + encryptedText);
// 解密
String decryptedText = decrypt(encryptedText, keyPair.getPrivate());
System.out.println("Decrypted (RSA): " + decryptedText);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}注意： 在實(shí)際應(yīng)用中，建議使用更為安全的填充模式（如OAEP），而不是簡(jiǎn)單的PKCS#1填充。
3. 哈希函數(shù)
哈希函數(shù)（Hash Functions）是將任意長(zhǎng)度的輸入數(shù)據(jù)映射為固定長(zhǎng)度的哈希值，且具有單向性（不可逆）和抗碰撞性（難以找到不同輸入具有相同哈希值）。比如工作中，我們會(huì)生成一個(gè)全局ID，然后通過哈希算法進(jìn)行壓縮。
哈希算法常見的算法：
- SHA-256、SHA-3：廣泛用于數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證和區(qū)塊鏈技術(shù)。
- MD5、SHA-1：由于安全性問題逐漸被淘汰，但仍在某些遺留系統(tǒng)中使用。
使用場(chǎng)景：
- 數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證：通過比較哈希值確保數(shù)據(jù)在傳輸或存儲(chǔ)過程中未被篡改。
- 密碼存儲(chǔ)：將用戶密碼進(jìn)行哈希存儲(chǔ)，增加密碼泄露后的安全性（通常結(jié)合加鹽技術(shù)）。
- 數(shù)字簽名：在簽名過程中，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希，再對(duì)哈希值進(jìn)行加密，提高效率和安全性。
Java 示例代碼
下面給出了一個(gè)基于 SHA-256 哈希函數(shù)的示例：
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.Base64;
publicclass SHADemo {
public static String hashSHA256(String data) throws NoSuchAlgorithmException {
MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
byte[] hashBytes = digest.digest(data.getBytes());
// 轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字符串
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (byte b : hashBytes) {
sb.append(String.format("%02x", b));
}
return sb.toString();
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
String originalText = "Hello, SHA-256 Hash!";
String hash = hashSHA256(originalText);
System.out.println("SHA-256 Hash: " + hash);
}
}4. 量子加密
量子加密（Quantum Encryption）主要指基于量子力學(xué)原理的加密技術(shù)，其中最著名的是量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution, QKD）。QKD利用量子態(tài)的不可克隆性和測(cè)量的擾動(dòng)性，確保密鑰在傳輸過程中絕對(duì)安全，即使面臨具備量子計(jì)算能力的攻擊者。
在普通的開發(fā)中一般很少用到這個(gè)算法，但是信息安全領(lǐng)域比較常見。
量子加密常見技術(shù)：
- 量子密鑰分發(fā)（QKD）：通過量子態(tài)傳輸密鑰，確保密鑰交換過程的安全性。
使用場(chǎng)景：
- 高安全需求的通信：政府、軍事和金融機(jī)構(gòu)等需要最高級(jí)別安全保護(hù)的通信領(lǐng)域。
- 未來網(wǎng)絡(luò)安全：為應(yīng)對(duì)量子計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)有加密算法的威脅，量子加密技術(shù)正逐步研究和應(yīng)用。
Java示例：
下面的示例，我們使用 Java模擬BB84協(xié)議。主要步驟說明如下：
- Alice生成比特和基： 隨機(jī)生成一串比特（0或1）和對(duì)應(yīng)的基（"+"或"×"）。
- Bob測(cè)量比特： 對(duì)每個(gè)接收到的比特，Bob隨機(jī)選擇一個(gè)基進(jìn)行測(cè)量。如果Alice和Bob的基相同，Bob測(cè)量結(jié)果應(yīng)與Alice的比特相同；否則，測(cè)量結(jié)果是隨機(jī)的。
- 基匹配與密鑰生成： Alice和Bob共享基信息，并保留基相同的比特作為密鑰。
- 安全性檢測(cè)： 隨機(jī)抽取部分密鑰進(jìn)行比對(duì)，判斷是否存在竊聽。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.stream.Collectors;
publicclass BB84Demo {
public static void main(String[] args) {
int keyLength = 100; // 初始密鑰長(zhǎng)度
double eavesdropProb = 0.05; // 竊聽概率，即Eve攔截的比特比例
// Alice生成隨機(jī)比特和基
List<Integer> aliceBits = generateRandomBits(keyLength);
List<Character> aliceBases = generateRandomBases(keyLength);
// Eve可能竊聽部分比特
List<Integer> eavesdroppedBits = new ArrayList<>();
List<Character> eavesdroppedBases = new ArrayList<>();
Random rand = new Random();
for (int i = 0; i < keyLength; i++) {
if (rand.nextDouble() < eavesdropProb) {
// Eve竊聽
char eBase = rand.nextBoolean() ? '+' : '×';
eavesdroppedBases.add(eBase);
// 如果Eve的基與Alice相同，Eve獲取正確的比特；否則，Eve隨機(jī)比特
if (eBase == aliceBases.get(i)) {
eavesdroppedBits.add(aliceBits.get(i));
} else {
eavesdroppedBits.add(rand.nextBoolean() ? 1 : 0);
}
} else {
eavesdroppedBits.add(null); // 沒有竊聽
}
}
// Bob接收量子比特，進(jìn)行測(cè)量
List<Integer> bobBits = new ArrayList<>();
List<Character> bobBases = generateRandomBases(keyLength);
for (int i = 0; i < keyLength; i++) {
char bBase = bobBases.get(i);
if (eavesdroppedBits.get(i) != null) {
// 如果Eve竊聽了這個(gè)比特，Bob的測(cè)量可能受到影響
if (bBase == aliceBases.get(i)) {
bobBits.add(eavesdroppedBits.get(i));
} else {
bobBits.add(rand.nextBoolean() ? 1 : 0);
}
} else {
// 沒有被竊聽
if (bBase == aliceBases.get(i)) {
bobBits.add(aliceBits.get(i));
} else {
bobBits.add(rand.nextBoolean() ? 1 : 0);
}
}
}
// Alice和Bob公開基，保留基相同的比特
List<Integer> aliceKey = new ArrayList<>();
List<Integer> bobKey = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < keyLength; i++) {
if (aliceBases.get(i).equals(bobBases.get(i))) {
aliceKey.add(aliceBits.get(i));
bobKey.add(bobBits.get(i));
}
}
System.out.println("Alice的初始比特序列: " + aliceBits);
System.out.println("Alice的基序列: " + aliceBases);
System.out.println("Bob的基序列: " + bobBases);
System.out.println("Eve竊聽的比特序列: " + eavesdroppedBits);
System.out.println("Alice和Bob共享的密鑰長(zhǎng)度: " + aliceKey.size());
// 安全性檢測(cè)：隨機(jī)抽取部分密鑰進(jìn)行比對(duì)
int testSize = Math.min(10, aliceKey.size()); // 抽取10個(gè)比特進(jìn)行測(cè)試
List<Integer> aliceTest = new ArrayList<>();
List<Integer> bobTest = new ArrayList<>();
Random testRand = new Random();
List<Integer> indices = new ArrayList<>();
while (indices.size() < testSize) {
int index = testRand.nextInt(aliceKey.size());
if (!indices.contains(index)) {
indices.add(index);
aliceTest.add(aliceKey.get(index));
bobTest.add(bobKey.get(index));
}
}
System.out.println("Alice的測(cè)試比特: " + aliceTest);
System.out.println("Bob的測(cè)試比特: " + bobTest);
// 計(jì)算錯(cuò)誤率
int errorCount = 0;
for (int i = 0; i < testSize; i++) {
if (!aliceTest.get(i).equals(bobTest.get(i))) {
errorCount++;
}
}
double errorRate = (double) errorCount / testSize;
System.out.printf("測(cè)試錯(cuò)誤率: %.2f%%\n", errorRate * 100);
if (errorRate > 0.1) { // 假設(shè)錯(cuò)誤率大于10%認(rèn)為存在竊聽
System.out.println("檢測(cè)到潛在的竊聽行為，放棄當(dāng)前密鑰并重新生成。");
} else {
// 移除測(cè)試比特后，剩余的密鑰作為最終共享密鑰
List<Integer> finalKey = aliceKey.stream()
.collect(Collectors.toList());
for (int index : indices) {
finalKey.set(index, null);
}
finalKey = finalKey.stream().filter(bit -> bit != null).collect(Collectors.toList());
System.out.println("最終共享的密鑰: " + finalKey);
}
}
// 生成隨機(jī)比特序列
public static List<Integer> generateRandomBits(int length) {
List<Integer> bits = new ArrayList<>(length);
Random rand = new Random();
for (int i = 0; i < length; i++) {
bits.add(rand.nextBoolean() ? 1 : 0);
}
return bits;
}
// 生成隨機(jī)基序列
public static List<Character> generateRandomBases(int length) {
List<Character> bases = new ArrayList<>(length);
Random rand = new Random();
for (int i = 0; i < length; i++) {
bases.add(rand.nextBoolean() ? '+' : '×');
}
return bases;
}
}5. 混合加密
混合加密（Hybrid Encryption），顧名思義，就是將多種加密算法混合使用。比如將對(duì)稱加密和非對(duì)稱加密混合，先使用非對(duì)稱加密交換對(duì)稱加密的會(huì)話密鑰，再使用對(duì)稱加密進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
使用場(chǎng)景：
- SSL/TLS協(xié)議：在建立安全連接時(shí)，利用非對(duì)稱加密進(jìn)行密鑰交換，隨后使用對(duì)稱加密進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，兼顧安全性和效率。
- 加密通信工具：如PGP（Pretty Good Privacy），用于加密電子郵件和文件傳輸。
總結(jié)
本文，我們分析了五種常見的加密算法：
- 對(duì)稱加密
- 非對(duì)稱加密
- Hash算法
- 量子加密
- 混合加密
不同的加密方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際工作中，我們?cè)谑褂眠@些加密算法時(shí)一定要特別注意其優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)也需要關(guān)注實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
責(zé)任編輯：趙寧寧
來源：
猿java
