Java對稱與非對稱加密算法原理詳細講解
更新時間：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標準庫提供的算法實現(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"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"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致安全性降低，更好的方式是通過 CBC 模式，它需要一個隨機數(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)的隨機數(shù)
System.out.println(Arrays.toString(iv));
IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 隨機數(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"); // 恢復秘鑰
IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 恢復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，需要一個隨機生成的 16 字節(jié)IV參數(shù)，必須使用 SecureRandom 生 成。因為多了一個 IvParameterSpec 實例，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，因為公鑰是可以公開的，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，因為小 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();
}
// 把私鑰導出為字節(jié)
public byte[] getPrivateKey() {
return this.sk.getEncoded();
}
// 把公鑰導出為字節(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，密碼強度越大，當然計算速度也越慢。
3.非對稱加密算法的優(yōu)缺點
非對稱加密的優(yōu)點：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：運算速度非常慢，比對稱加密要慢很多。
所以，在實際應用的時候，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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