面試官：說一下你常用的加密演算法

Java旅途發表於2020-07-31
面試加密演算法

加密演算法我們整體可以分為：可逆加密和不可逆加密，可逆加密又可以分為：對稱加密和非對稱加密。

一、不可逆加密

常見的不可逆加密演算法有MD5，HMAC，SHA1、SHA-224、SHA-256、SHA-384，和SHA-512，其中SHA-224、SHA-256、SHA-384，和SHA-512我們可以統稱為SHA2加密演算法，SHA加密演算法的安全性要比MD5更高，而SHA2加密演算法比SHA1的要高。其中SHA後面的數字表示的是加密後的字串長度，SHA1預設會產生一個160位的資訊摘要。

不可逆加密演算法最大的特點就是金鑰，但是HMAC是需要金鑰的【手動狗頭】。

由於這些加密都是不可逆的，因此比較常用的場景就是使用者密碼加密，其驗證過程就是通過比較兩個加密後的字串是否一樣來確認身份的。網上也有很多自稱是可以破解MD5密碼的網站，其原理也是一樣，就是有一個巨大的資源庫，存放了許多字串及對應的MD5加密後的字串，通過你輸入的MD5加密串來進行比較，如果過你的密碼複雜度比較低，還是有很大機率驗證出來的。

1.1 MD5

MD5資訊摘要演算法（英語：MD5 Message-Digest Algorithm），一種被廣泛使用的密碼雜湊函式，可以產生出一個128位（16位元組）的雜湊值（hash value），用於確保資訊傳輸完整一致。

MD5演算法有以下特點：

1、壓縮性：無論資料長度是多少，計算出來的MD5值長度相同

2、容易計算性：由原資料容易計算出MD5值

3、抗修改性：即便修改一個位元組，計算出來的MD5值也會巨大差異

4、抗碰撞性：知道資料和MD5值，很小概率找到相同MD5值相同的原資料。

public static String md5(String text) {
    MessageDigest messageDigest = null;
    try {
        messageDigest = MessageDigest.getInstance("MD5");
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    byte[] bytes = messageDigest.digest(text.getBytes());
    return Hex.encodeHexString(bytes); 
}

1.2 SHA系列

安全雜湊演算法（英語：Secure Hash Algorithm，縮寫為SHA）是一個密碼雜湊函式家族，是FIPS所認證的安全雜湊演算法。能計算出一個數字訊息所對應到的，長度固定的字串（又稱訊息摘要）的演算法。且若輸入的訊息不同，它們對應到不同字串的機率很高。

2005年8月17日的CRYPTO會議尾聲中王小云、姚期智、姚儲楓再度發表更有效率的SHA-1攻擊法，能在2的63次方個計算複雜度內找到碰撞。

也就是說SHA-1加密演算法有碰撞的可能性，雖然很小。

public static String sha256(String text) {
    MessageDigest messageDigest = null;
    try {
        messageDigest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    byte[] bytes = messageDigest.digest(text.getBytes()); 
    return Hex.encodeHexString(bytes); 
}

1.3 HMAC系列

HMAC是金鑰相關的雜湊運算訊息認證碼（Hash-based Message Authentication Code）的縮寫，由H.Krawezyk，M.Bellare，R.Canetti於1996年提出的一種基於Hash函式和金鑰進行訊息認證的方法，並於1997年作為RFC2104被公佈，並在IPSec和其他網路協議（如SSL）中得以廣泛應用，現在已經成為事實上的Internet安全標準。它可以與任何迭代雜湊函式捆綁使用。

HMAC演算法更像是一種加密演算法，它引入了金鑰，其安全性已經不完全依賴於所使用的Hash演算法

public static String hmacSha256(String text, SecretKeySpec sk) {
    Mac mac = null;
    try {
        mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    try {
        mac.init(sk);
    } catch (InvalidKeyException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    byte[] rawHmac = mac.doFinal(text.getBytes());
    return new String(Base64.encodeBase64(rawHmac));
}

如果要使用不可逆加密，推薦使用SHA256、SHA384、SHA512以及HMAC-SHA256、HMAC-SHA384、HMAC-SHA512這幾種演算法。

二、對稱加密演算法

對稱加密演算法是應用比較早的演算法，在資料加密和解密的時用的都是同一個金鑰，這就造成了金鑰管理困難的問題。常見的對稱加密演算法有DES、3DES、AES128、AES192、AES256 (預設安裝的 JDK 尚不支援 AES256，需要安裝對應的 jce 補丁進行升級 jce1.7，jce1.8)。其中AES後面的數字代表的是金鑰長度。對稱加密演算法的安全性相對較低，比較適用的場景就是內網環境中的加解密。

2.1 DES

DES是對稱加密演算法領域中的典型演算法，其金鑰預設長度為56位。

// 加密
public static String encrypt(byte[] dataSource, String password){
     try {
         SecureRandom random = new SecureRandom();
         DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(password.getBytes());
         //建立一個密匙工廠，然後用它把DESKeySpec轉換成 
         SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES"); 
         SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(desKeySpec); 
         //Cipher物件實際完成加密操作 
         Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES"); 
         //用密匙初始化Cipher物件 
         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, random); 
         //正式執行加密操作 
         return Base64.encodeBase64String(cipher.doFinal(dataSource)); 
     } catch (Throwable e) { 
         e.printStackTrace(); 
     } return null; 
 } 
// 解密
public static String decrypt(String src, String password) throws Exception{ 
    // DES演算法要求有一個可信任的隨機數源 
    SecureRandom random = new SecureRandom(); 
    // 建立一個DESKeySpec物件 
    DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(password.getBytes()); 
    // 建立一個密匙工廠 
    SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES"); 
    // 將DESKeySpec物件轉換成SecretKey物件 
    SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(desKeySpec); 
    // Cipher物件實際完成解密操作 
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES"); 
    // 用密匙初始化Cipher物件 
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, random); 
    // 真正開始解密操作 
    return new String(cipher.doFinal(Base64.decodeBase64(src))); 
}

2.2 3DES

3DES（即Triple DES）是DES向AES過渡的加密演算法，它使用3條56位的金鑰對資料進行三次加密。是DES的一個更安全的變形。它以DES為基本模組，通過組合分組方法設計出分組加密演算法。比起最初的DES，3DES更為安全。金鑰長度預設為168位，還可以選擇128位。

public static String encryptThreeDESECB(String src, String key) {
    try{
        DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(key.getBytes("UTF-8"));
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
        SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(dks);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, securekey);
        byte[] b = cipher.doFinal(src.getBytes("UTF-8"));

        String ss = new String(Base64.encodeBase64(b));
        ss = ss.replaceAll("\\+", "-");
        ss = ss.replaceAll("/", "_");
        return ss;
    } catch(Exception ex){
        ex.printStackTrace();
        return src;
    }
}

public static String decryptThreeDESECB(String src, String key) {
    try{
        src = src.replaceAll("-", "+");
        src = src.replaceAll("_", "/");
        byte[] bytesrc = Base64.decodeBase64(src.getBytes("UTF-8"));
        // --解密的key
        DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(key.getBytes("UTF-8"));
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
        SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(dks);

        // --Chipher物件解密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, securekey);
        byte[] retByte = cipher.doFinal(bytesrc);

        return new String(retByte, "UTF-8");
    } catch(Exception ex){
        ex.printStackTrace();
        return src;
    }
}

2.3 AES

AES 高階資料加密標準，能夠有效抵禦已知的針對DES演算法的所有攻擊，預設金鑰長度為128位，還可以供選擇192位，256位。這裡順便提一句這個位指的是bit。

private static final String defaultCharset = "UTF-8";
private static final String KEY_AES = "AES";
private static final String KEY_MD5 = "MD5";
private static MessageDigest md5Digest;
static {
    try {
        md5Digest = MessageDigest.getInstance(KEY_MD5);
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {

    }
}
/**
  * 加密
  */
public static String encrypt(String data, String key) {
    return doAES(data, key, Cipher.ENCRYPT_MODE);
}
/**
  * 解密
  */
public static String decrypt(String data, String key) {
    return doAES(data, key, Cipher.DECRYPT_MODE);
}


/**
  * 加解密
  */
private static String doAES(String data, String key, int mode) {
    try {
        boolean encrypt = mode == Cipher.ENCRYPT_MODE;
        byte[] content;
        if (encrypt) {
            content = data.getBytes(defaultCharset);
        } else {
            content = Base64.decodeBase64(data.getBytes());
        }
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(md5Digest.digest(key.getBytes(defaultCharset))
                                                  , KEY_AES);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(KEY_AES);// 建立密碼器
        cipher.init(mode, keySpec);// 初始化
        byte[] result = cipher.doFinal(content);
        if (encrypt) {
            return new String(Base64.encodeBase64(result));
        } else {
            return new String(result, defaultCharset);
        }
    } catch (Exception e) {
    }
    return null;
}

推薦使用對稱加密演算法有：AES128、AES192、AES256。

三、非對稱加密演算法

非對稱加密演算法有兩個金鑰，這兩個金鑰完全不同但又完全匹配。只有使用匹配的一對公鑰和私鑰，才能完成對明文的加密和解密過程。常見的非對稱加密有RSA、SM2等。

3.1 RSA

RSA金鑰至少為500位長，一般推薦使用1024位。

//非對稱金鑰演算法
public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";

/**
  * 金鑰長度，DH演算法的預設金鑰長度是1024
  * 金鑰長度必須是64的倍數，在512到65536位之間
  */
private static final int KEY_SIZE = 1024;
//公鑰
private static final String PUBLIC_KEY = "RSAPublicKey";
//私鑰
private static final String PRIVATE_KEY = "RSAPrivateKey";
/**
  * 初始化金鑰對
  *
  * @return Map 甲方金鑰的Map
  */
public static Map<String, Object> initKey() throws Exception {
    //例項化金鑰生成器
    KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    //初始化金鑰生成器
    keyPairGenerator.initialize(KEY_SIZE);
    //生成金鑰對
    KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
    //甲方公鑰
    RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
    //甲方私鑰
    RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
    //將金鑰儲存在map中
    Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>();
    keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
    keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
    return keyMap;
}
/**
  * 私鑰加密
  *
  * @param data 待加密資料
  * @param key  金鑰
  * @return byte[] 加密資料
  */
public static byte[] encryptByPrivateKey(byte[] data, byte[] key) throws Exception {

    //取得私鑰
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(key);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    //生成私鑰
    PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
    //資料加密
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
    return cipher.doFinal(data);
}

/**
  * 公鑰加密
  *
  * @param data 待加密資料
  * @param key  金鑰
  * @return byte[] 加密資料
  */
public static byte[] encryptByPublicKey(byte[] data, byte[] key) throws Exception {

    //例項化金鑰工廠
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    //初始化公鑰
    //金鑰材料轉換
    X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(key);
    //產生公鑰
    PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
    //資料加密
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
    return cipher.doFinal(data);
}

/**
  * 私鑰解密
  *
  * @param data 待解密資料
  * @param key  金鑰
  * @return byte[] 解密資料
  */
public static byte[] decryptByPrivateKey(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
    //取得私鑰
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(key);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    //生成私鑰
    PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
    //資料解密
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
    return cipher.doFinal(data);
}

/**
  * 公鑰解密
  *
  * @param data 待解密資料
  * @param key  金鑰
  * @return byte[] 解密資料
  */
public static byte[] decryptByPublicKey(byte[] data, byte[] key) throws Exception {

    //例項化金鑰工廠
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    //初始化公鑰
    //金鑰材料轉換
    X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(key);
    //產生公鑰
    PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
    //資料解密
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, pubKey);
    return cipher.doFinal(data);
}

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

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

四、加密鹽

加密鹽也是比較常聽到的一個概念，鹽就是一個隨機字串用來和我們的加密串拼接後進行加密。加鹽主要是為了提供加密字串的安全性。假如有一個加鹽後的加密串，黑客通過一定手段這個加密串，他拿到的明文，並不是我們加密前的字串，而是加密前的字串和鹽組合的字串，這樣相對來說又增加了字串的安全性。

文中的一些演算法來源於網路，可直接複製使用。

比較推薦的幾個加密演算法有：

  • 不可逆加密：SHA256、SHA384、SHA512以及HMAC-SHA256、HMAC-SHA384、HMAC-SHA512
  • 對稱加密演算法：AES、3DES
  • 非對稱加密演算法：RSA

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