加密算法

加密算法分类

密码分类		国产商用密码	国际商用密码
对称加密	分组加密/块加密	SM1/SCB2 SM4/SMS4 SM7	DES、IDEA、AES、RC5、RC6
	序列加密/流加密	ZUC（祖冲之算法） SSF446	RC4
非对称加密	大数分解		RSA、Rabin
	离散对数	SM2 SM9	DH、DSA、ECC
散列（HASH）算法		SM3	MD5、SHA-1、SHA-2

HASH算法

Hash算法特别的地方在于它是一种单向算法，用户可以通过Hash算法对目标信息生成一段特定长度的唯一的Hash值，却不能通过这个Hash值重新获得目标信息。因此Hash算法常用在不可还原的密码存储、信息完整性校验等。

散列是信息的提炼，通常其长度要比信息小得多，且为一个固定长度。加密性强的散列一定是不可逆的，这就意味着通过散列结果，无法推出任何部分的原始信息。任何输入信息的变化，哪怕仅一位，都将导致散列结果的明显变化，这称之为雪崩效应。散列还应该是防冲突的，即找不出具有相同散列结果的两条信息。具有这些特性的散列结果就可以用于验证信息是否被修改。

单向散列函数一般用于产生消息摘要，密钥加密等，常见的有：

• MD5（Message Digest Algorithm 5）：是RSA数据安全公司开发的一种单向散列算法，非可逆，相同的明文产生相同的密文。

• SHA（Secure Hash Algorithm）：可以对任意长度的数据运算生成一个160位的数值；

SHA-1与MD5的比较

因为二者均由MD4导出，SHA-1和MD5彼此很相似。相应的，他们的强度和其他特性也是相似，但还有以下几点不同：

• 对强行供给的安全性：最显著和最重要的区别是SHA-1摘要比MD5摘要长32 位。使用强行技术，产生任何一个报文使其摘要等于给定报摘要的难度对MD5是2128数量级的操作，而对SHA-1则是2160数量级的操作。这样，SHA-1对强行攻击有更大的强度。

• 对密码分析的安全性：由于MD5的设计，易受密码分析的攻击，SHA-1显得不易受这样的攻击。

• 速度：在相同的硬件上，SHA-1的运行速度比MD5慢。

对称加密

指加密和解密使用相同密钥的加密算法。对称加密算法的优点在于加解密的高速度和使用长密钥时的难破解性。假设两个用户需要使用对称加密方法加密然后交换数据，则用户最少需要2个密钥并交换使用，如果企业内用户有n个，则整个企业共需要n×(n-1) 个密钥，密钥的生成和分发将成为企业信息部门的恶梦。对称加密算法的安全性取决于加密密钥的保存情况，但要求企业中每一个持有密钥的人都保守秘密是不可能的，他们通常会有意无意的把密钥泄漏出去——如果一个用户使用的密钥被入侵者所获得，入侵者便可以读取该用户密钥加密的所有文档，如果整个企业共用一个加密密钥，那整个企业文档的保密性便无从谈起。

常见的对称加密算法：DES、3DES、DESX、Blowfish、IDEA、RC4、RC5、RC6和AES

1. DES算法

DES 全称 Data Encryption Standard，是一种使用密钥加密的块算法。现在认为是一种不安全的加密算法，因为现在已经有用穷举法攻破 DES 密码的报道了。尽管如此，该加密算法还是运用非常普遍，是一种标准的加密算法，3DES 是 DES 的加强版本。

DES 加密算法出自 IBM 的研究，后来被美国政府正式采用，之后开始广泛流传，但是近些年使用越来越少，因为 DES 使用56位密钥（密钥长度越长越安全），以现代计算能力24小时内即可被破解。虽然如此，在某些简单应用中，我们还是可以使用 DES 加密算法。

DES 算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。

• Key 是 DES 算法的工作密钥。
• Data 是要被加密或被解密的数据。
• Mode 为 DES 的工作方式，有两种：加密或解密。

    private static final String ALGO = "DES";
 
    private static byte[] encrypt(byte[] src, String password) {
        try {
            // DES 算法要求有一个可信任的随机数源
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(password.getBytes());
            // 创建一个密匙工厂，然后用它把 DESKeySpec 转换成 SecretKey
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(ALGO);
            SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);
            // Cipher对象实际完成加密操作
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGO);
            // 用密匙初始化 Cipher 对象，ENCRYPT_MODE 用于将 Cipher 初始化为加密模式的常量
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, securekey, random);
            // 加密数据
            return cipher.doFinal(src);
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
 
    private static byte[] decrypt(byte[] src, String password) {
        try {
            // DES 算法要求有一个可信任的随机数源
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            // 创建一个 DESKeySpec 对象
            DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(password.getBytes());
            // 创建一个密匙工厂
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(ALGO);
            // 将 DESKeySpec 对象转换成 SecretKey 对象
            SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);
            // Cipher 对象实际完成解密操作
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGO);
            // 用密匙初始化 Cipher 对象
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, securekey, random);
            // 解密数据
            return cipher.doFinal(src);
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

密钥必须是8的倍数，否则会报 java.security.InvalidKeyException: Wrong key size。DES 标准密钥就是56位，8个字符即8个字节，每个字节的最高位不用，即每个字节只用7位，8个字符正好是56位。

2.3DES算法

3DES（或称为 Triple DES）是三重数据加密算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）块密码的通称。它相当于是对每个数据块应用三次 DES 加密算法。由于计算机运算能力的增强，原版 DES 密码的密钥长度变得容易被暴力破解；3DES 即是设计用来提供一种相对简单的方法，即通过增加 DES 的密钥长度来避免类似的攻击，而不是设计一种全新的块密码算法。

3DES（即Triple DES）是 DES 向 AES 过渡的加密算法，它使用3条56位的密钥对数据进行三次加密，是 DES 的一个更安全的变形。它以 DES 为基本模块，通过组合分组方法设计出分组加密算法。比起最初的 DES，AES 更为安全。

    private static final String Algorithm = "DESede";
 
    /**
     * 加密数据
     *
     * @param keybyte keybyte为加密密钥，长度为24字节
     * @param src 加密数据源
     */
    private static byte[] encrypt(byte[] keybyte, byte[] src) {
        try {
            // 生成密钥
            SecretKey deskey = new SecretKeySpec(keybyte, Algorithm);
            Cipher c1 = Cipher.getInstance(Algorithm);
            c1.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, deskey);
            // 加密数据
            return c1.doFinal(src);
        } catch (java.security.NoSuchAlgorithmException e1) {
            e1.printStackTrace();
        } catch (javax.crypto.NoSuchPaddingException e2) {
            e2.printStackTrace();
        } catch (java.lang.Exception e3) {
            e3.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
 
    /**
     * 解密数据
     *
     * @param keybyte keybyte为加密密钥，长度为24字节
     * @param src 解密数据源
     */
    private static byte[] decrypt(byte[] keybyte, byte[] src) {
        try {
            // 生成密钥
            SecretKey deskey = new SecretKeySpec(keybyte, Algorithm);
            Cipher c1 = Cipher.getInstance(Algorithm);
            c1.init(Cipher.DECRYPT_MODE, deskey);
            // 解密
            return c1.doFinal(src);
        } catch (java.security.NoSuchAlgorithmException e1) {
            e1.printStackTrace();
        } catch (javax.crypto.NoSuchPaddingException e2) {
            e2.printStackTrace();
        } catch (java.lang.Exception e3) {
            e3.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

3DES 的密钥长度为24个字节，而 DES 的密钥长度为8的倍数，比如8，16，24都可以。

3.AES算法

AES 加密算法就是众多对称加密算法中的一种，它的英文全称是 Advanced Encryption Standard，翻译过来是高级加密标准，它是用来替代之前的 DES 加密算法的。

AES 加密算法采用分组密码体制，每个分组数据的长度为128位16个字节，密钥长度可以是128位16个字节、192位或256位，一共有四种加密模式，我们通常采用需要初始向量 IV 的 CBC 模式，初始向量的长度也是128位16个字节。

AES 加密的五个关键词，分别是：分组密码体制、Padding、密钥、初始向量 IV 和四种加密模式。

• 分组密码体制 所谓分组密码体制就是指将明文切成一段一段的来加密，然后再把一段一段的密文拼起来形成最终密文的加密方式。AES 采用分组密码体制，即 AES 加密会首先把明文切成一段一段的，而且每段数据的长度要求必须是128位16个字节，如果最后一段不够16个字节了，就需要用 Padding 来把这段数据填满16个字节，然后分别对每段数据进行加密，最后再把每段加密数据拼起来形成最终的密文。

• Padding Padding 就是用来把不满16个字节的分组数据填满16个字节用的，它有三种模式 PKCS5、PKCS7 和NOPADDING。PKCS5 是指分组数据缺少几个字节，就在数据的末尾填充几个字节的几，比如缺少5个字节，就在末尾填充5个字节的5。PKCS7 是指分组数据缺少几个字节，就在数据的末尾填充几个字节的0，比如缺少7个字节，就在末尾填充7个字节的0。NoPadding 是指不需要填充，也就是说数据的发送方肯定会保证最后一段数据也正好是16个字节。那如果在PKCS5 模式下，最后一段数据的内容刚好就是16个16怎么办？那解密端就不知道这一段数据到底是有效数据还是填充数据了，因此对于这种情况，PKCS5 模式会自动帮我们在最后一段数据后再添加16个字节的数据，而且填充数据也是16个16，这样解密段就能知道谁是有效数据谁是填充数据了。PKCS7 最后一段数据的内容是16个0，也是同样的道理。解密端需要使用和加密端同样的 Padding 模式，才能准确的识别有效数据和填充数据。我们开发通常采用 PKCS7 Padding 模式。

• 初始向量IV 初始向量 IV 的作用是使加密更加安全可靠，我们使用 AES 加密时需要主动提供初始向量，而且只需要提供一个初始向量就够了，后面每段数据的加密向量都是前面一段的密文。初始向量 IV 的长度规定为128位16个字节，初始向量的来源为随机生成。至于为什么初始向量能使加密更安全可靠，会在下面的加密模式中提到。

• 密钥 AES 要求密钥的长度可以是128位16个字节、192位或者256位，位数越高，加密强度自然越大，但是加密的效率自然会低一些，因此要做好衡量。我们开发通常采用128位16个字节的密钥，我们使用 AES 加密时需要主动提供密钥，而且只需要提供一个密钥就够了，每段数据加密使用的都是这一个密钥，密钥来源为随机生成（我们开发时传入的那个为初始密钥，除了初始密钥以外，后面每一轮的密钥都是由上一轮的密钥扩展而来的，密钥扩展有四个步骤：排列、置换、与轮常量异或、生成下一轮密钥的其他列）。

• 四种加密模式 AES 一共有四种加密模式，分别是 ECB（电子密码本模式）、CBC（密码分组链接模式）、CFB、OFB，我们一般使用的是 CBC 模式。四种模式中除了 ECB 相对不安全之外，其它三种模式的区别并没有那么大（ECB 模式是最基本的加密模式，即仅仅使用明文和密钥来加密数据，相同的明文块会被加密成相同的密文块，这样明文和密文的结构将是完全一样的，就会更容易被破解，相对来说不是那么安全，因此很少使用，而 CBC 模式则比 ECB 模式多了一个初始向量 IV，加密的时候，第一个明文块会首先和初始向量 IV 做异或操作，然后再经过密钥加密，然后第一个密文块又会作为第二个明文块的加密向量来异或，依次类推下去，这样相同的明文块加密出的密文块就是不同的，明文的结构和密文的结构也将是不同的，因此更加安全，我们常用的就是 CBC 加密模式）。

    private static final String ALGO = "AES/ECB/PKCS5Padding";
 
    public static byte[] encrypt(String data, Key key) {
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGO);
            cipher.init(cipher.ENCRYPT_MODE, key);
            return cipher.doFinal(data.getBytes());
        } catch (Throwable throwable) {
            throwable.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
 
    private static byte[] decrypt(byte[] result, Key key) {
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGO);
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
            return cipher.doFinal(result);
        } catch (Throwable throwable) {
            throwable.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
 
    private static Key createKey() {
        try {
            // 生成key
            KeyGenerator keyGenerator;
            // 构造密钥生成器，指定为AES算法,不区分大小写
            keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
            // 生成一个128位的随机源,根据传入的字节数组
            keyGenerator.init(128);
            // 产生原始对称密钥
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            // 获得原始对称密钥的字节数组
            byte[] keyBytes = secretKey.getEncoded();
            // key转换,根据字节数组生成AES密钥
            return new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

4.RC算法

RC2 是由著名密码学家 Ron Rivest 设计的一种传统对称分组加密算法，它可作为 DES 算法的建议替代算法。它的输入和输出都是64bit。密钥的长度是从1字节到128字节可变，但目前的实现是8字节（1998年）。

RC4 于1987年提出，和 DES 算法一样，是一种对称加密算法，也就是说使用的密钥为单钥（或称为私钥）。但不同于 DES的是，RC4 不是对明文进行分组处理，而是字节流的方式依次加密明文中的每一个字节，解密的时候也是依次对密文中的每一个字节进行解密。

RC4 算法的特点是算法简单，运行速度快，而且密钥长度是可变的，可变范围为1-256字节（8-2048bit），在如今技术支持的前提下，当密钥长度为128bit时，用暴力法搜索密钥已经不太可行，所以可以预见 RC4 的密钥范围任然可以在今后相当长的时间里抵御暴力搜索密钥的攻击。实际上，如今也没有找到对于128bit密钥长度的 RC4 加密算法的有效攻击方法。

RC5 分组密码算法是1994由麻萨诸塞技术研究所的 Ronald L. Rivest 教授发明的，并由 RSA 实验室分析。它是参数可变的分组密码算法，三个可变的参数是：分组大小、密钥大小和加密轮数。在此算法中使用了三种运算：异或、加和循环。

非对称加密

指加密和解密使用不同密钥的加密算法，也称为公私钥加密。假设两个用户要加密交换数据，双方交换公钥，使用时一方用对方的公钥加密，另一方即可用自己的私钥解密。如果企业中有n个用户，企业需要生成n对密钥，并分发n个公钥。由于公钥是可以公开的，用户只要保管好自己的私钥即可，因此加密密钥的分发将变得十分简单。同时，由于每个用户的私钥是唯一的，其他用户除了可以可以通过信息发送者的公钥来验证信息的来源是否真实，还可以确保发送者无法否认曾发送过该信息。非对称加密的缺点是加解密速度要远远慢于对称加密，在某些极端情况下，甚至能比对称加密慢上1000倍。

常见的非对称加密算法：RSA、ECC（移动设备用）、Diffie-Hellman、El Gamal、DSA（数字签名用）

1.RSA算法

• 简介 RSA 是目前最有影响力的公钥加密算法，该算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥，即公钥，而两个大素数组合成私钥。公钥是可发布的供任何人使用，私钥则为自己所有，供解密之用。

• 工作流程 A 要把信息发给 B 为例，确定角色：A 为加密者，B 为解密者。首先由 B 随机确定一个 KEY，称之为私钥，将这个 KEY 始终保存在机器 B 中而不发出来；然后，由这个 KEY 计算出另一个 KEY，称之为公钥。这个公钥的特性是几乎不可能通过它自身计算出生成它的私钥。接下来通过网络把这个公钥传给 A，A 收到公钥后，利用公钥对信息加密，并把密文通过网络发送到 B，最后 B 利用已知的私钥，就能对密文进行解码了。以上就是 RSA 算法的工作流程。

• 运算速度 由于进行的都是大数计算，使得 RSA 最快的情况也比 DES 慢上好几倍，无论是软件还是硬件实现。速度一直是 RSA 的缺陷。一般来说只用于少量数据加密。RSA 的速度是对应同样安全级别的对称密码算法的1/1000左右。比起 DES 和其它对称算法来说，RSA 要慢得多。实际上一般使用一种对称算法来加密信息，然后用 RSA 来加密比较短的公钥，然后将用 RSA 加密的公钥和用对称算法加密的消息发送给接收方。这样一来对随机数的要求就更高了，尤其对产生对称密码的要求非常高，否则的话可以越过 RSA 来直接攻击对称密码。

• 公钥传递安全 和其它加密过程一样，对 RSA 来说分配公钥的过程是非常重要的。分配公钥的过程必须能够抵挡中间人攻击。假设 A 交给 B 一个公钥，并使 B 相信这是A 的公钥，并且 C 可以截下 A 和 B 之间的信息传递，那么 C 可以将自己的公钥传给 B，B 以为这是 A 的公钥。C 可以将所有 B 传递给 A 的消息截下来，将这个消息用自己的密钥解密，读这个消息，然后将这个消息再用 A 的公钥加密后传给 A。理论上 A 和 B 都不会发现 C 在偷听它们的消息，今天人们一般用数字认证来防止这样的攻击。

    private static final String ALGO = "RSA";
    private static final String CHARSET = "UTF-8";
 
    /*
     * 用于存储随机产生的公钥与私钥
     */
    private static Map<Integer, String> KEY_CACHE = new HashMap<>();
 
    /**
     * 随机生成密钥对
     *
     * @throws NoSuchAlgorithmException
     */
    private static void generateKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException {
        // KeyPairGenerator 类用于生成公钥和私钥对，基于RSA算法生成对象
        KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(ALGO);
        // 初始化密钥对生成器，密钥大小为 96-1024 位
        keyPairGen.initialize(1024, new SecureRandom());
        // 生成一个密钥对，保存在 keyPair 中
        KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
        // 得到私钥
        RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
        // 得到公钥
        RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
        String publicKeyString = new String(Base64.getEncoder().encode(publicKey.getEncoded()));
        // 得到私钥字符串
        String privateKeyString = new String(Base64.getEncoder().encode((privateKey.getEncoded())));
        // 将公钥和私钥保存到 Map
        KEY_CACHE.put(0, publicKeyString);
        KEY_CACHE.put(1, privateKeyString);
    }
 
    /**
     * RSA公钥加密
     *
     * @param data       加密字符串
     * @param publicKey 公钥
     * @return 密文
     * @throws Exception 加密过程中的异常信息
     */
    private static String encrypt(String data, String publicKey) throws Exception {
        // base64 编码的公钥
        byte[] decoded = Base64.getDecoder().decode(publicKey);
        RSAPublicKey pubKey = (RSAPublicKey) KeyFactory.getInstance(ALGO).generatePublic(new X509EncodedKeySpec(decoded));
        // RSA加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGO);
        // 公钥加密
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
        return Base64.getEncoder().encodeToString(cipher.doFinal(data.getBytes(CHARSET)));
    }
 
    /**
     * RSA私钥解密
     *
     * @param data        加密字符串
     * @param privateKey 私钥
     * @return 铭文
     * @throws Exception 解密过程中的异常信息
     */
    private static String decrypt(String data, String privateKey) throws Exception {
        byte[] inputByte = Base64.getDecoder().decode(data.getBytes(CHARSET));
        // base64 编码的私钥
        byte[] decoded = Base64.getDecoder().decode(privateKey);
        RSAPrivateKey priKey = (RSAPrivateKey) KeyFactory.getInstance(ALGO).generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(decoded));
        // RSA 解密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGO);
        // 私钥解密
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey);
        return new String(cipher.doFinal(inputByte));
    }

2.DSA算法

DSA-Digital Signature Algorithm 是Schnorr和ElGamal签名算法的变种，被美国NIST作为DSS(DigitalSignature Standard)。简单的说，这是一种更高级的验证方式，用作数字签名。不单单只有公钥、私钥，还有数字签名。私钥加密生成数字签名，公钥验证数据及签 名。如果数据和签名不匹配则认为验证失败！数字签名的作用就是校验数据在传输过程中不被修改。数字签名，是单向加密的升级！

3.ECC算法

椭圆加密算法（ECC）是一种公钥加密算法，最初由 Koblitz 和 Miller 两人于1985年提出，其数学基础是利用椭圆曲线上的有理点构成 Abel 加法群上椭圆离散对数的计算困难性。公钥密码体制根据其所依据的难题一般分为三类：大整数分解问题类、离散对数问题类、椭圆曲线类。有时也把椭圆曲线类归为离散对数类。

ECC 的主要优势是在某些情况下它比其他的方法使用更小的密钥 (比如 RSA)，提供相当的或更高等级的安全。ECC 的另一个优势是可以定义群之间的双线性映射，基于 Weil 对或是 Tate 对；双线性映射已经在密码学中发现了大量的应用，例如基于身份的加密。不过一个缺点是加密和解密操作的实现比其他机制花费的时间长。

4.DH算法

DH，全称为"Diffie-Hellman"，它是一种确保共享 KEY 安全穿越不安全网络的方法，也就是常说的密钥一致协议。由公开密钥密码体制的奠基人 Diffie 和 Hellman 所提出的一种思想。简单的说就是允许两名用户在公开媒体上交换信息以生成"一致"的、可以共享的密钥。也就是由甲方产出一对密钥 (公钥、私钥)，乙方依照甲方公钥产生乙方密钥对 (公钥、私钥)。

以此为基线，作为数据传输保密基础，同时双方使用同一种对称加密算法构建本地密钥 (SecretKey) 对数据加密。这样，在互通了本地密钥 (SecretKey) 算法后，甲乙双方公开自己的公钥，使用对方的公钥和刚才产生的私钥加密数据，同时可以使用对方的公钥和自己的私钥对数据解密。不单单是甲乙双方两方，可以扩展为多方共享数据通讯，这样就完成了网络交互数据的安全通讯。