Android對稱加密與非對稱加密
凱撒密碼
1. 介紹
凱撒密碼作為一種最為古老的對稱加密體制,在古羅馬的時候都已經(jīng)很流行,他的基本思想是:通過把字母移動一定的位數(shù)來實現(xiàn)加密和解密。明文中的所有字母都在字母表上向后(或向前)按照一個固定數(shù)目進行偏移后被替換成密文。例如,當偏移量是3 的時候,所有的字母A 將被替換成D,B 變成E,由此可見,位數(shù)就是凱撒密碼加密和解密的密鑰。
例如:字符串”ABC”的每個字符都右移3 位則變成”DEF”,解密的時候”DEF”的每個字符左移3 位即能還原,如下圖所示:

2. 準備知識
//字符轉換成ASCII 碼數(shù)值 char charA = 'a'; int intA = charA; //char 強轉為int 即得到對應的ASCII 碼值,'a'的值為97 //ASCII 碼值轉成char int intA = 97;//97 對應的ASCII 碼'a' char charA = (char) intA; //int 值強轉為char 即得到對應的ASCII 字符,即'a'

3. 凱撒密碼的簡單代碼實現(xiàn)
/**
* 加密
* @param input 數(shù)據(jù)源(需要加密的數(shù)據(jù))
* @param key 秘鑰,即偏移量
* @return 返回加密后的數(shù)據(jù)
*/
public static String encrypt(String input, int key) {
//得到字符串里的每一個字符
char[] array = input.toCharArray();
for (int i = 0; i < array.length; ++i) {
//字符轉換成ASCII 碼值
int ascii = array[i];
//字符偏移,例如a->b
ascii = ascii + key;
//ASCII 碼值轉換為char
char newChar = (char) ascii;
//替換原有字符
array[i] = newChar;
//以上4 行代碼可以簡寫為一行
//array[i] = (char) (array[i] + key);
}
//字符數(shù)組轉換成String
return new String(array);
}
/**
* 解密
* @param input 數(shù)據(jù)源(被加密后的數(shù)據(jù))
* @param key 秘鑰,即偏移量
* @return 返回解密后的數(shù)據(jù)
*/
public static String decrypt(String input, int key) {
//得到字符串里的每一個字符
char[] array = input.toCharArray();
for (int i = 0; i < array.length; ++i) {
//字符轉換成ASCII 碼值
int ascii = array[i];
//恢復字符偏移,例如b->a
ascii = ascii - key;
//ASCII 碼值轉換為char
char newChar = (char) ascii;
//替換原有字符
array[i] = newChar;
//以上4 行代碼可以簡寫為一行
//array[i] = (char) (array[i] - key);
}
//字符數(shù)組轉換成String
return new String(array);
}
代碼輸出結果:

4. 破解凱撒密碼:頻率分析法
凱撒密碼加密強度太低,只需要用頻度分析法即可破解。
在任何一種書面語言中,不同的字母或字母組合出現(xiàn)的頻率各不相同。而且,對于以這種語言書寫的任意一段文本,都具有大致相同的特征字母分布。比如,在英語中,字母E 出現(xiàn)的頻率很高,而X 則出現(xiàn)得較少。
英語文本中典型的字母分布情況如下圖所示:

5. 破解流程
統(tǒng)計密文里出現(xiàn)次數(shù)最多的字符,例如出現(xiàn)次數(shù)最多的字符是是'h'。
計算字符'h'到'e'的偏移量,值為3,則表示原文偏移了3 個位置。
將密文所有字符恢復偏移3 個位置。
注意點:統(tǒng)計密文里出現(xiàn)次數(shù)最多的字符時,需多統(tǒng)計幾個備選,因為最多的可能是空格或者其他字符,例如下圖出現(xiàn)次數(shù)最多的字符'#'是空格加密后的字符,'h'才是'e'偏移后的值。

解密時要多幾次嘗試,因為不一定出現(xiàn)次數(shù)最多的字符就是我們想要的目標字符,如下圖,第二次解密的結果才是正確的。
/**
* 頻率分析法破解凱撒密碼
*/
public class FrequencyAnalysis {
//英文里出現(xiàn)次數(shù)最多的字符
private static final char MAGIC_CHAR = 'e';
//破解生成的最大文件數(shù)
private static final int DE_MAX_FILE = 4;
public static void main(String[] args) throws Exception {
//測試1,統(tǒng)計字符個數(shù)
//printCharCount("article1_en.txt");
//加密文件
//int key = 3;
//encryptFile("article1.txt", "article1_en.txt", key);
//讀取加密后的文件
String artile = file2String("article1_en.txt");
//解密(會生成多個備選文件)
decryptCaesarCode(artile, "article1_de.txt");
}
public static void printCharCount(String path) throws IOException{
String data = file2String(path);
List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(data);
for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {
//輸出前幾位的統(tǒng)計信息
System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出現(xiàn)" + entry.getValue() + "次");
}
}
public static void encryptFile(String srcFile, String destFile, int key) throws IOException {
String artile = file2String(srcFile);
//加密文件
String encryptData = MyEncrypt.encrypt(artile, key);
//保存加密后的文件
string2File(encryptData, destFile);
}
/**
* 破解凱撒密碼
* @param input 數(shù)據(jù)源
* @return 返回解密后的數(shù)據(jù)
*/
public static void decryptCaesarCode(String input, String destPath) {
int deCount = 0;//當前解密生成的備選文件數(shù)
//獲取出現(xiàn)頻率最高的字符信息(出現(xiàn)次數(shù)越多越靠前)
List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(input);
for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {
//限制解密文件備選數(shù)
if (deCount >= DE_MAX_FILE) {
break;
}
//輸出前幾位的統(tǒng)計信息
System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出現(xiàn)" + entry.getValue() + "次");
++deCount;
//出現(xiàn)次數(shù)最高的字符跟MAGIC_CHAR的偏移量即為秘鑰
int key = entry.getKey() - MAGIC_CHAR;
System.out.println("猜測key = " + key + ", 解密生成第" + deCount + "個備選文件" + "\n");
String decrypt = MyEncrypt.decrypt(input, key);
String fileName = "de_" + deCount + destPath;
string2File(decrypt, fileName);
}
}
//統(tǒng)計String里出現(xiàn)最多的字符
public static List<Entry<Character, Integer>> getMaxCountChar(String data) {
Map<Character, Integer> map = new HashMap<Character, Integer>();
char[] array = data.toCharArray();
for (char c : array) {
if(!map.containsKey(c)) {
map.put(c, 1);
}else{
Integer count = map.get(c);
map.put(c, count + 1);
}
}
//輸出統(tǒng)計信息
/*for (Entry<Character, Integer> entry : map.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + "出現(xiàn)" + entry.getValue() + "次");
}*/
//獲取獲取最大值
int maxCount = 0;
for (Entry<Character, Integer> entry : map.entrySet()) {
//不統(tǒng)計空格
if (/*entry.getKey() != ' ' && */entry.getValue() > maxCount) {
maxCount = entry.getValue();
}
}
//map轉換成list便于排序
List<Entry<Character, Integer>> mapList = new ArrayList<Map.Entry<Character,Integer>>(map.entrySet());
//根據(jù)字符出現(xiàn)次數(shù)排序
Collections.sort(mapList, new Comparator<Entry<Character, Integer>>(){
@Override
public int compare(Entry<Character, Integer> o1,
Entry<Character, Integer> o2) {
return o2.getValue().compareTo(o1.getValue());
}
});
return mapList;
}
public static String file2String(String path) throws IOException {
FileReader reader = new FileReader(new File(path));
char[] buffer = new char[1024];
int len = -1;
StringBuffer sb = new StringBuffer();
while ((len = reader.read(buffer)) != -1) {
sb.append(buffer, 0, len);
}
return sb.toString();
}
public static void string2File(String data, String path){
FileWriter writer = null;
try {
writer = new FileWriter(new File(path));
writer.write(data);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally {
if (writer != null) {
try {
writer.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}

對稱加密
介紹
加密和解密都使用同一把秘鑰,這種加密方法稱為對稱加密,也稱為單密鑰加密。
簡單理解為:加密解密都是同一把鑰匙。
凱撒密碼就屬于對稱加密,他的字符偏移量即為秘鑰。
對稱加密常用算法
AES、DES、3DES、TDEA、Blowfish、RC2、RC4、RC5、IDEA、SKIPJACK 等。
DES:全稱為Data Encryption Standard,即數(shù)據(jù)加密標準,是一種使用密鑰加密的塊算法,1976 年被美國聯(lián)邦政府的國家標準局確定為聯(lián)邦資料處理標準(FIPS),隨后在國際上廣泛流傳開來。
3DES:也叫Triple DES,是三重數(shù)據(jù)加密算法(TDEA,Triple Data Encryption Algorithm)塊密碼的通稱。
它相當于是對每個數(shù)據(jù)塊應用三次DES 加密算法。由于計算機運算能力的增強,原版DES 密碼的密鑰長度變得容易被暴力破解;3DES 即是設計用來提供一種相對簡單的方法,即通過增加DES 的密鑰長度來避免類似的攻擊,而不是設計一種全新的塊密碼算法。
AES: 高級加密標準(英語:Advanced Encryption Standard,縮寫:AES),在密碼學中又稱Rijndael 加密法,是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標準。這個標準用來替代原先的DES,已經(jīng)被多方分析且廣為全世界所使用。經(jīng)過五年的甄選流程,高級加密標準由美國國家標準與技術研究院(NIST)于2001 年11 月26 日發(fā)布于FIPS PUB 197,并在2002 年5 月26 日成為有效的標準。2006 年,高級加密標準已然成為對稱密鑰加密中最流行的算法之一。
DES 算法簡介
DES 加密原理(對比特位進行操作,交換位置,異或等等,無需詳細了解)
準備知識
Bit 是計算機最小的傳輸單位。以0 或1 來表示比特位的值
例如數(shù)字3 對應的二進制數(shù)據(jù)為:00000011
代碼示例
int i = 97; String bit = Integer.toBinaryString(i); //輸出:97 對應的二進制數(shù)據(jù)為: 1100001 System.out.println(i + "對應的二進制數(shù)據(jù)為: " + bit);
Byte 與Bit 區(qū)別
數(shù)據(jù)存儲是以“字節(jié)”(Byte)為單位,數(shù)據(jù)傳輸是以大多是以“位”(bit,又名“比特”)為單位,一個位就代表一個0 或1(即二進制),每8 個位(bit,簡寫為b)組成一個字節(jié)(Byte,簡寫為B),是最小一級的信息單位。
Byte 的取值范圍:
//byte 的取值范圍:-128 到127 System.out.println(Byte.MIN_VALUE + "到" + Byte.MAX_VALUE);
即10000000 到01111111 之間,一個字節(jié)占8 個比特位
二進制轉十進制圖示:

任何字符串都可以轉換為字節(jié)數(shù)組
String data = "1234abcd"; byte[] bytes = data.getBytes();//內容為:49 50 51 52 97 98 99 100
上面數(shù)據(jù)49 50 51 52 97 98 99 100 對應的二進制數(shù)據(jù)(即比特位為):
00110001
00110010
00110011
00110100
01100001
01100010
01100011
01100100
將他們間距調大一點,可看做一個矩陣:
0 0 1 1 0 0 0 1
0 0 1 1 0 0 1 0
0 0 1 1 0 0 1 1
0 0 1 1 0 1 0 0
0 1 1 0 0 0 0 1
0 1 1 0 0 0 1 0
0 1 1 0 0 0 1 1
0 1 1 0 0 1 0 0
之后可對他們進行各種操作,例如交換位置、分割、異或運算等,常見的加密方式就是這樣操作比特位的。
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