Java加解密算法

密码学领域有对称加密和非对称加密算法,本篇将使用Java语言来实现几种常见的加解密算法。

完整源码请参考 GitHub源码

对称加密算法

对称加密算法概念

加密密钥和解密密钥相同,大部分算法加密揭秘过程互逆。

特点:算法公开、(相比非对称加密)计算量小、加密速度快、效率高。

弱点:双方都使用同样的密钥,安全性得不到保证。

常用对称加密算法

  • DES(Data Encryption Standard)
  • 3DES(DES加强版,使用3次DES计算,Triple DES,DESede)
  • AES(Advanced Encryption Standard,3DES加强版)

这里只列出最常用的AES算法实现,也是安全等级最高,推荐使用的对称加密算法,其他实现请参考我的GitHub上的源码。

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/**
* 对称加密/解密算法(推荐算法):AES
*
* @author XiongNeng
* @version 1.0
* @since 2017-11-22
*/
public class AESUtil {
private static final String DATA = "这个是内容";
private static final String KEY_ALGORITHM = "AES";
private static final String CIPHER_ALGORITHM = "AES/ECB/PKCS5Padding";
private static final Charset UTF8 = Charset.forName("UTF-8");

public static byte[] encrypt(String data, String key) throws Exception {
return encrypt(data.getBytes(UTF8), key.getBytes(UTF8));
}

public static byte[] encrypt(String data, byte[] key) throws Exception {
return encrypt(data.getBytes(UTF8), key);
}

public static byte[] encrypt(byte[] data, String key) throws Exception {
return encrypt(data, key.getBytes(UTF8));
}

public static byte[] encrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
Key k = genSecretKey(key);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, k);
return cipher.doFinal(data);
}

public static byte[] decrypt(String data, String key) throws Exception {
return decrypt(data.getBytes(UTF8), key.getBytes(UTF8));
}

public static byte[] decrypt(String data, byte[] key) throws Exception {
return decrypt(data.getBytes(UTF8), key);
}

public static byte[] decrypt(byte[] data, String key) throws Exception {
return decrypt(data, key.getBytes(UTF8));
}

public static byte[] decrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
Key k = genSecretKey(key);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, k);
return cipher.doFinal(data);
}

/**
* AES only supports key sizes of 16, 24 or 32 bytes
*/
public static Key genSecretKey(byte[] key) throws Exception {
if (key.length == 16 || key.length == 24 || key.length == 32) {
return new SecretKeySpec(key, KEY_ALGORITHM);
}
throw new IllegalArgumentException("AES only supports key sizes of 16, 24 or 32 bytes");
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
String key = "1234567890123456";
byte[] desResult = encrypt(DATA, key);
System.out.println(DATA + ">>>AES 加密结果>>>" + Hex.encodeHexString(desResult));

byte[] desPlain = decrypt(desResult, key);
System.out.println(DATA + ">>>AES 解密结果>>>" + new String(desPlain, Charset.forName("UTF-8")));
}
}

非对称加密算法

非对称密码概念

发送者使用接收者的公钥加密,接收者使用自己的私钥解密。需要两个密钥进行加密或解密,分为公钥和私钥。

特点:安全性高,速度慢

常用算法

  • RSA算法
  • DH密钥交换算法
  • ElGamal算法那

用途:

  • 密钥交换
  • 加密/解密
  • 数字签名

RSA算法示例:

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public class RSAUtil {
// 非对称密钥算法
private static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";
// 密钥长度必须是64的倍数,在512到65536位之间
private static final int KEY_SIZE = 2048;
// 公钥
private static final String PUBLIC_KEY = "RSAPublicKey";
// 私钥
private static final String PRIVATE_KEY = "RSAPrivateKey";
// 字符编码
private static final Charset UTF8 = Charset.forName("UTF-8");

/**
* 私钥加密
*
* @param dataStr 待加密数据
* @param key 密钥
* @return byte[] 加密数据
*/
public static byte[] encryptByPrivateKey(String dataStr, byte[] key) throws Exception {
//取得私钥
PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(key);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//生成私钥
PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
//数据加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
return cipher.doFinal(dataStr.getBytes(UTF8));
}

/**
* 公钥加密
*
* @param dataStr 待加密数据
* @param key 密钥
* @return byte[] 加密数据
*/
public static byte[] encryptByPublicKey(String dataStr, byte[] key) throws Exception {

//实例化密钥工厂
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//初始化公钥,密钥材料转换
X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(key);
//产生公钥
PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);

//数据加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
return cipher.doFinal(dataStr.getBytes(UTF8));
}

/**
* 私钥解密
*
* @param data 待解密数据
* @param key 密钥
* @return String 解密数据
*/
public static String decryptByPrivateKey(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
//取得私钥
PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(key);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//生成私钥
PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
//数据解密
Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
return new String(cipher.doFinal(data), UTF8);
}

/**
* 公钥解密
*
* @param data 待解密数据
* @param key 密钥
* @return String 解密数据
*/
public static String decryptByPublicKey(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
//实例化密钥工厂
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//初始化公钥,密钥材料转换
X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(key);
//产生公钥
PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
//数据解密
Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, pubKey);
return new String(cipher.doFinal(data), UTF8);
}

/**
* 初始化密钥对
*
* @return Map 甲方密钥的Map
*/
private static Map<String, Object> initKey() throws Exception {
//实例化密钥生成器
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//初始化密钥生成器
keyPairGenerator.initialize(KEY_SIZE);
//生成密钥对
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
//甲方公钥
RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
//甲方私钥
RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
//将密钥存储在map中
Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>();
keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
return keyMap;
}

/**
* 取得私钥
*
* @param keyMap 密钥map
* @return byte[] 私钥
*/
private static byte[] getPrivateKey(Map<String, Object> keyMap) {
Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
return key.getEncoded();
}

/**
* 取得公钥
*
* @param keyMap 密钥map
* @return byte[] 公钥
*/
private static byte[] getPublicKey(Map<String, Object> keyMap) throws Exception {
Key key = (Key) keyMap.get(PUBLIC_KEY);
return key.getEncoded();
}

/**
* @param args args
* @throws Exception ex
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
//初始化密钥,生成密钥对
Map<String, Object> keyMap = initKey();
//公钥
byte[] publicKey = getPublicKey(keyMap);

//私钥
byte[] privateKey = getPrivateKey(keyMap);
System.out.println("公钥:" + Base64.encodeBase64String(publicKey));
System.out.println("私钥:" + Base64.encodeBase64String(privateKey));

System.out.println("================密钥对构造完毕,甲方将公钥公布给乙方,开始进行加密数据的传输=============");
String str = "RSA密码交换算法";
System.out.println("===========甲方向乙方发送加密数据==============");
System.out.println("原文:" + str);
//甲方进行数据的加密
byte[] code1 = encryptByPrivateKey(str, privateKey);
System.out.println("加密后的数据:" + Base64.encodeBase64String(code1));
System.out.println("===========乙方使用甲方提供的公钥对数据进行解密==============");
//乙方进行数据的解密
String decode1 = decryptByPublicKey(code1, publicKey);
System.out.println("乙方解密后的数据:" + decode1);

System.out.println("===========反向进行操作,乙方向甲方发送数据==============");

str = "乙方向甲方发送数据RSA算法";

System.out.println("原文:" + str);

//乙方使用公钥对数据进行加密
byte[] code2 = encryptByPublicKey(str, publicKey);
System.out.println("===========乙方使用公钥对数据进行加密==============");
System.out.println("加密后的数据:" + Base64.encodeBase64String(code2));

System.out.println("=============乙方将数据传送给甲方======================");
System.out.println("===========甲方使用私钥对数据进行解密==============");

//甲方使用私钥对数据进行解密
String decode2 = decryptByPrivateKey(code2, privateKey);

System.out.println("甲方解密后的数据:" + decode2);
}
}

算法选择

RSA 算法规定:

  1. 待加密的字节数不能超过密钥的长度值除以 8 再减去 11(即:KeySize / 8 - 11),
  2. 加密后得到密文的字节数,正好是密钥的长度值除以 8(即:KeySize / 8)

也就是对于常见的2048位的密钥,最大加密长度为256 - 11 = 245个字节

针对超长问题,常见的解决办法有两种,

一、对待加密数据进行拆分,分成众多小片段,解密时,也分段解密。

二、结合对称加密算法使用,使用RSA加密对称加密算法的密钥。

RSA是企业级应用标准,很多第三方的加密软件使用RSA 2048bit加密

优点:密码分配简单,安全保障性高

缺点:

  1. 速度慢,RSA最快的情况也比DES慢上好几倍,RSA的速度比对应同样安全级别的对称密码算法要慢1000倍左右
  2. 一般来说只用于少量数据加密
  3. 产生密钥很麻烦,受到素数产生技术的限制,因而难以做到一次一密。

实际上,这些缺点是非对称加密本身的局限。

对称加密和非对称加密算法各自用途和功能以及非常明确了。实际内容传输都会使用对称加密, 而安全的交换对称密钥、数字签名就使用非对称加密。