程式設計中常用的加密演算法

概述

程式設計中常見的加密演算法有以下幾種，它們在不同場景中分別有應用。除資訊摘要演算法外，其它加密方式都會需要金鑰。

• 資訊摘要演算法
• 對稱加密演算法
• 非對稱加密演算法

金鑰

金鑰（key，又常稱金鑰）是指某個用來完成加密、解密、完整性驗證等密碼學應用的祕密資訊。

金鑰分類

• 加解密中的金鑰：對稱加密中共享相同的金鑰，非對稱加密中分公鑰和私鑰，公鑰加密私鑰解密。
• 訊息認證碼和數字簽名中的金鑰：在訊息認證碼中，訊息傳送方和接收方使用共享金鑰進行認證。在數字簽名中，簽名使用私鑰，而驗證使用公鑰。
• 會話金鑰和主金鑰：每次通訊只使用一次的金鑰稱為會話金鑰（session key）。相對於會話金鑰，重複使用的金鑰稱為主金鑰（master key）。

金鑰和密碼

密碼一般是由使用者生成，具有可讀性，可以記憶和儲存，常用於軟體管理，而金鑰是供實現加密演算法的軟體使用，不需要具備可讀性（不過在程式設計中為了方便閱讀都進行Base64）。我們也可以通過密碼來生成金鑰。

金鑰管理

• 生成金鑰：可以用隨機數生成金鑰，也可以用口令生成金鑰。

• 配送金鑰：可採用事先共享金鑰、使用金鑰分配中心、使用公鑰密碼、使用Diffie-Hellman金鑰交換。

• 更新金鑰

• 儲存金鑰

• 作廢金鑰

金鑰生成

jdk 中 jce (Java Cryptography Extension) 包含了加密相關的所有API。

生成對稱加密演算法的金鑰

    public static SecretKey generateKey(int keySize) {
        KeyGenerator keyGenerator;
        try {
            keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
            keyGenerator.init(keySize);
            return keyGenerator.generateKey();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            // ignore
            return null;
        }
    }

生成對稱非對稱加密演算法的金鑰

    /**
     * 生成非對稱金鑰對
     *
     * @param keySize 金鑰大小
     * @param random  指定隨機來源，預設使用 JCAUtil.getSecureRandom()
     * @return 非對稱金鑰對
     * @throws NoSuchAlgorithmException NoSuchAlgorithm
     */
    public static PPKeys genKeysRSA(int keySize, SecureRandom random) throws NoSuchAlgorithmException {
        KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        if (null != random) {
            generator.initialize(keySize, random);
        } else {
            generator.initialize(keySize);
        }
        KeyPair pair = generator.generateKeyPair();
        PPKeys keys = new PPKeys();
        PublicKey publicKey = pair.getPublic();
        PrivateKey privateKey = pair.getPrivate();
        keys.setPublicKey(Base64.getEncoder().encodeToString(publicKey.getEncoded()));
      keys.setPrivateKey(Base64.getEncoder().encodeToString(privateKey.getEncoded()));
        return keys;
    }

金鑰協商（Diffie-Hellman）

金鑰協商是一種協議，兩方或多方在通過該協議建立相同的共享金鑰，然後通訊內容進行對稱加密傳輸，而不需要交換金鑰。

大致過程：每一方生成一個公私鑰對並將公鑰分發給其它方，當都獲得其他方的公鑰副本後就可以離線計算共享金鑰。

Java中提供了 KeyAgreement 可以實現金鑰協商。

• Alice 和 Bob 分別用他們的私鑰初始化自己的金鑰協商物件 KeyAgreement ，呼叫init() 方法；
• 然後將通訊的每一方的公鑰 傳入執行 doPhase(Key key, boolean lastPhase) ；
• 各方生成共享金鑰 generateSecret()。

    public static void diffieHellman() throws Exception {
        AlgorithmParameterGenerator dhParams = AlgorithmParameterGenerator.getInstance("DH");
        dhParams.init(1024);
        KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
        keyGen.initialize(dhParams.generateParameters().getParameterSpec(DHParameterSpec.class), new SecureRandom());

        KeyAgreement aliceKeyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
        KeyPair alicePair = keyGen.generateKeyPair();
        KeyAgreement bobKeyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
        KeyPair bobPair = keyGen.generateKeyPair();

        aliceKeyAgree.init(alicePair.getPrivate());
        bobKeyAgree.init(bobPair.getPrivate());

        aliceKeyAgree.doPhase(bobPair.getPublic(), true);
        bobKeyAgree.doPhase(alicePair.getPublic(), true);

       boolean agree = Base64.getEncoder().encodeToString(aliceKeyAgree.generateSecret()).equals(
          Base64.getEncoder().encodeToString(bobKeyAgree.generateSecret())
        );
        System.out.println(agree);
    }

資訊摘要演算法

資訊摘要演算法又叫加密雜湊演算法，加密過程不需要金鑰，常見的加密雜湊演算法有MD系列和SHA系列。

一個理想的加密雜湊函式應該具備以下特性：

• 任何資訊傳入後，輸出的總是長度固定；
• 訊息摘要看起來是“隨機的”，這樣根據原始資訊就很難推測出值；
• 好的雜湊函式碰撞概率應該極低，也就是不同資訊傳入後得到相同值的概率；

MD系列

MD5資訊摘要演算法（MD5 Message-Digest Algorithm），一種被廣泛使用的加密雜湊函式，輸出出一個128位（16位元組）的雜湊值（hash value），MD5最初設計為加密雜湊函式，而目前發現它存在大量漏洞，所以不建議直接用作加密，不過在非加密場景下如：資料完整性校驗，檔案完整性校驗它仍然有廣泛的應用。

    public static String md5(String content) {
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("MD5");
            byte[] bytes = digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            return Hex.encodeHexString(bytes);
        } catch (final NoSuchAlgorithmException e) {
            throw new IllegalArgumentException(e);
        }
    }

SHA系列

安全雜湊演算法（Secure Hash Algorithm，縮寫為SHA）是一個加密雜湊函式家族，是FIPS(美國聯邦資訊處理標準)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。

它們分別包含 SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3，其中 SHA-0、SHA-1 輸出長度是160位，SHA-2 包含 SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256，我們平時常用 SHA-256 。

    public static String sha256(String content) {
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256);
            byte[] bytes = digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            return Hex.encodeHexString(bytes);
        } catch (final NoSuchAlgorithmException e) {
            throw new IllegalArgumentException(e);
        }
    }

對稱加密演算法

對稱加密演算法，雙方持有相同金鑰進行加解密，常見的對稱加密演算法：DES 3DES AES128 AES192 AES256。理解對稱加密需要先明白下面幾個概念：

• 分組密碼模式：將明文切割進行加密，再將密文拼接到一起。比如AES中會將明文資料切割為大小16位元組的資料塊，最後一塊不夠16位元組時，使用Padding模式進行補充。
• 填充（Padding）：它有三種模式PKCS5、PKCS7和NOPADDING，PKCS5用缺少的位元組數來填充，比如缺少5個位元組就填充5個數字5，PKCS7缺少的位元組數用0來填充。如果資料剛好是16的整數倍，PKCS5和PKCS7會再補充一個16位元組資料來區分填充和有效資料，NOPADDING模式不需要填充。
• 初始化向量：初始向量IV的作用是使加密更加安全可靠，在分組密碼模式下IV大小對應資料塊長度。
• 加密模式：四種加密模式分別是：ECB(電子密碼本模式)、CBC(密碼分組連結模式)、CFB、OFB。ECB模式是僅僅使用明文和金鑰來加密資料，所以該模式下不需要Padding，安全性也較弱，CBC模式資料分塊並且使用傳入IV依次進行異或操作，安全性也相對較高，所以目前一般都選擇CBC模式。
• 加密金鑰：不同加密演算法金鑰長度不同，比如：DES 預設長度56位，3DES預設長度168位，也支援128位，AES預設128位，也支援192位，256位。我們一般根據密碼生成金鑰，密碼長度需要滿足演算法金鑰長度。

DES

DES 是對稱加密演算法領域中的典型演算法，因為金鑰預設長度為56 bit，所以密碼長度需要大於 8 byte，DESKeySpec 取前 8 byte 進行金鑰製作。

 public static String encryptDES(byte[] content, String password) {
        try {
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(password.getBytes());
            SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(desKeySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, random);
            return Base64.getEncoder().encodeToString(cipher.doFinal(content));
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static String decryptDES(String content, String password) throws Exception {
        SecureRandom random = new SecureRandom();
        DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(password.getBytes());
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
        SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(desKeySpec);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, random);
        return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(content)));
    }

3DES

3DES（即Triple DES）。是DES演算法的加強，它使用3條56位的金鑰對資料進行三次加密。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。金鑰預設長度 168 bit， 密碼需要大於24 byte，IV 是 8 byte 的隨機數字和字母陣列。

    public static String encrypt3DESECB(String content, String key, String iv) {
        try {
            IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
            SecretKey secretkey = keyFactory.generateSecret(dks);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/CBC/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretkey, ivSpec);
            return Base64.getEncoder().encodeToString(cipher.doFinal(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static String decrypt3DESECB(String content, String key, String iv) {
        try {
            IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            DESedeKeySpec dks = new DESedeKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DESede");
            SecretKey secretkey = keyFactory.generateSecret(dks);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede/CBC/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretkey, ivSpec);
            return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(content)), StandardCharsets.UTF_8);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

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 bit，還可以供選擇 192 bit，256 bit。AES-128 AES-192 AES-256

預設 AES-128 ，使用 PBEKeySpec 生成固定大小的金鑰。

public static String encryptAES128(String plainText, String password, String salt) throws Exception {
        SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");
        byte[] saltBytes = salt.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        // AES-128 金鑰長度為128bit
        PBEKeySpec spec = new PBEKeySpec(
          password.toCharArray(),
          saltBytes,
          1000,
          128
        );
        SecretKey secretKey = factory.generateSecret(spec);
        SecretKeySpec secret = new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), "AES");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        AlgorithmParameters params = cipher.getParameters();
        IvParameterSpec iv = params.getParameterSpec(IvParameterSpec.class);

        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secret, iv);
        byte[] encryptedTextBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

        String encodedText = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedTextBytes);
        String encodedIV = Base64.getEncoder().encodeToString(iv.getIV());
        String encodedSalt = Base64.getEncoder().encodeToString(saltBytes);
        return encodedSalt + "." + encodedIV + "." + encodedText;
    }


    public static String decryptAES128(String encryptedText, String password) throws Exception {
        String[] fields = encryptedText.split("\\.");
        byte[] saltBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[0]);
        byte[] ivBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[1]);
        byte[] encryptedTextBytes = Base64.getDecoder().decode(fields[2]);

        SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");
        PBEKeySpec spec = new PBEKeySpec(
          password.toCharArray(),
          saltBytes,
          1000,
          128
        );

        SecretKey secretKey = factory.generateSecret(spec);
        SecretKeySpec secret = new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), "AES");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secret, new IvParameterSpec(ivBytes));
        byte[] decryptedTextBytes;
        try {
            decryptedTextBytes = cipher.doFinal(encryptedTextBytes);
            return new String(decryptedTextBytes);
        } catch (IllegalBlockSizeException | BadPaddingException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

使用 AES-256 時可能會出現下面異常：

 java.security.InvalidKeyException: Illegal key size

JDK 1.8.0_161 及以上版本預設已經啟用無限強度加密：

    static {
        java.security.Security.setProperty("crypto.policy", "unlimited");
    }

JDK 1.8.0_161以前版本需要手動安裝 jce 策略檔案（下載地址）

非對稱加密演算法

非對稱加密使用一對金鑰，公鑰用作加密，私鑰則用作解密。關於金鑰大小，截至2020年，公開已知的最大RSA金鑰是破解的是829位的RSA-250，建議至少使用 2048 位金鑰。

    public static String encrypt(byte[] publicKey, String plainText) {
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
        KeyFactory kf;
        try {
            kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PublicKey publicKeySecret = kf.generatePublic(keySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKeySecret);
            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
            return new String(Base64.getEncoder().encode(encryptedBytes));
        } catch (Exception e) {
            log.error("Rsa encrypt error ", e);
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

	public static String decrypt(byte[] privateKey, String encryptedText) {
        PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
        KeyFactory kf;
        try {
            kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PrivateKey privateKeySecret = kf.generatePrivate(keySpec);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKeySecret);
            return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedText)), StandardCharsets.UTF_8);
        } catch (Exception e) {
            log.error("Rsa decrypt error ", e);
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }