Java 常用加密解密演算法
概要
加密演算法是一種用數學方法對資料進行變換的技術，目的是保護資料的安全，防止被未經授權的人讀取或修改。加密演算法可以分為三大類：對稱加密演算法、非對稱加密演算法和雜湊演算法（也叫摘要演算法）。
本文來梳理下開發中常用到的資料編碼中的Base64以及常見的一些加密演算法。
一、資料編碼
1. Base64 演算法
Base64編碼本質上是一種將二進位制資料轉成文字資料的方案。對於非二進位制資料，是先將其轉換成二進位制形式，然後每連續6位元（2的6次方=64）計算其十進位制值，根據該值在A-Z,a-z,0-9,+,/ 這64個字元中找到對應的字元，最終得到一個文字字串。
1）可讀性編碼演算法
Base64演算法並不是加密演算法，它的出現是為了解決ASCII碼在傳輸過程中可能出現亂碼的問題。Base64是網路上最常見的用於傳輸8bit位元組碼的可讀性編碼演算法之一。可讀性編碼演算法不是為了保護資料的安全性，而是為了可讀性。可讀性編碼不改變資訊內容，只改變資訊內容的表現形式。
2）64種字元
Base64使用了64種字元：大寫A到Z、小寫a到z、數字0到9、“+”和“/”，故得此名。
Base64編碼對照表：
2. URL Base64演算法
UrlBase64 是 Base64 編碼的一種變體，主要用於在 URL 中安全地傳輸二進位制資料。它與標準的 Base64 編碼相比，有一些微小的差異，以確保編碼後的字元在 URL 中不會引起問題。
UrlBase64 主要有以下兩個特點：
1）字符集不同：在標準的 Base64 編碼中，使用字元 "+", "/"，而這兩個字元在 URL 中有特殊的含義，可能會引起歧義或導致 URL 解析錯誤。為了解決這個問題，UrlBase64 將字元 "+" 替換為 "-", 將 "/" 替換為 "_"。
2）去掉填充字元： 標準的 Base64 編碼在最後可能會使用一個或兩個 "=" 字元進行填充，以使編碼後的字串長度是4的倍數。但是在 URL 中，這些填充字元可能引起問題，因此 UrlBase64 通常去掉填充字元，直接使用編碼後的字串。
總體而言，UrlBase64 是為了適應 URL 中的特殊需求而修改的 Base64 編碼。在處理需要在 URL 中傳遞的二進位制資料時，使用 UrlBase64 可以確保編碼後的字串在 URL 中是安全且可靠的。在使用 UrlBase64 解碼時，需要在解碼之前將 "_" 替換為 "/"，將 "-" 替換為 "+"，並根據需要新增填充字元。
二、雜湊演算法
雜湊演算法也叫雜湊函式或摘要演算法，它的作用是將任意長度的資料對映為固定長度的值的演算法，通常這個對映值稱為雜湊值（Hash Value）或者雜湊值或者訊息摘要。
1. 不屬於加密演算法
雜湊演算法其實不屬於加密演算法，只是可以用到某些加密場景中（例如密碼加密），兩者可以看作是並列關係。加密演算法通常指的是可以將明文轉換為密文，並且能夠透過某種方式（如金鑰）再將密文還原為明文的演算法。而雜湊演算法是一種單向過程，它將輸入資訊轉換成一個固定長度的雜湊值，但這個過程是不可逆的，也就是說，不能從雜湊值還原出原始資訊。
例如：雜湊函式 SHA-256 會將任意長度的輸入資料對映為一個固定長度的輸出（256 位），但無法透過輸出值反推出輸入資料。
2. 驗證資料完整性
相同的內容用同樣的摘要演算法獲得的雜湊值是一樣的，所以常用於驗證資料的完整性和一致性。
說明：原始資料的任何改變都會導致雜湊值的巨大變化。
3. 雜湊演算法分類
主要分為三大類：MD（Message Digest，訊息摘要演算法）、SHA（Secure HashAlgorithm，安全雜湊演算法）和MAC（Message Authentication Code，訊息認證碼演算法）
常見的雜湊演算法：
1）MD（Message Digest，訊息摘要演算法）
MD2、MD4、MD5 等，已經不被推薦使用。
2）SHA（Secure Hash Algorithm，安全雜湊演算法）
SHA-1 系列安全性低，SHA2，SHA3 系列安全性較高。
SHA-256 是最常用的，它提供了良好的安全性，並且計算效率適中，廣泛用於區塊鏈技術（例如比特幣）和數字簽名等場景。
3）Bcrypt（密碼雜湊演算法）
基於 Blowfish 加密演算法的密碼雜湊演算法，專門為密碼加密而設計，安全性高，屬於慢雜湊演算法。
4）MAC（Message Authentication Code，訊息認證碼演算法）
HMAC 是一種基於雜湊的 MAC，可以與任何安全的雜湊演算法結合使用，例如 SHA-256。
5）CRC：（Cyclic Redundancy Check，迴圈冗餘校驗）
CRC演算法是一種雜湊演算法，用於生成一個固定長度的值來表示資料的“指紋”。它基於多項式除法的原理，用於檢查資料的完整性。
CRC32 是一種 CRC 演算法，它的特點是生成 32 位的校驗值，通常用於資料完整性校驗、檔案校驗等場景。
CRC16 演算法生成的雜湊值通常為 16 位，在 Redis 中，通常透過 CRC16(key) & 16383 來得到雜湊槽的位置。
說明：CRC16 在處理較小的資料集時，衝突機率較低，雖然相比更強大的雜湊演算法（如 SHA 或 MD5）可能有一些碰撞的風險，但在 Redis 叢集的應用場景中，CRC16 仍然足夠滿足高效、快速的資料分配
5. 加密雜湊演算法和非加密雜湊演算法
雜湊演算法本身不涉及加密/解密操作。根據它們的用途和設計目標進行區分，可以簡單分為：
1）加密雜湊演算法：安全性較高的雜湊演算法，它可以提供一定的資料完整性保護和資料防篡改能力，能夠抵禦一定的攻擊手段，安全性相對較高，但效能較差，適用於對安全性要求較高的場景。例如 SHA2、SHA3、SM3、RIPEMD-160、BLAKE2、SipHash 等等。
2）非加密雜湊演算法：安全性相對較低的雜湊演算法，易受到暴力破解、衝突攻擊等攻擊手段的影響，但效能較高，適用於對安全性沒有要求的業務場景。例如 CRC32、MurMurHash3、SipHash 等等。
說明：在常用的簽名演算法中，雜湊演算法本身並不是簽名的獨立演算法，它通常是作為組成部分（資料摘要）與 HMAC、RSA、ECDSA 等加密演算法結合使用的。
6. 鹽值
鹽值通常用於雜湊演算法中，特別是在密碼儲存中，以增強雜湊計算的安全性。鹽值的目的主要是防止彩虹表攻擊和暴力破解。鹽值是一個隨機生成的字串，它會與原始資料（如密碼）一起參與雜湊計算，從而使得同樣的原始資料每次計算出的雜湊值都不相同。
三、對稱加密演算法
對稱加密演算法加密和解密使用的是同一份秘鑰，解密是加密的逆運算。對稱加密演算法加密速度快，密文可逆，一旦秘鑰檔案洩露，就會導致原始資料暴露。對稱加密的結果一般使用Base64演算法編碼，便於閱讀和傳輸。JDK8支援的對稱加密演算法主要有DES、DESede、AES、Blowfish，以及RC2和RC4等。不同的演算法秘鑰長度不同，秘鑰長度越長，加密安全性越高。
1. DES演算法
DES（Data Encryption Standard，資料加密標準）演算法是對稱加密演算法領域中的典型演算法，DES演算法秘鑰較短，以現在計算機的計算能力，DES演算法加密的資料在24小時內可能被破解。所以DES演算法已經被淘汰，建議使用AES演算法，不過這裡還是簡單瞭解下。
2. DESede演算法
作為DES演算法的一種改良，DESede演算法（也稱為3DES，三重DES）針對其秘鑰長度偏短和迭代次數偏少等問題做了相應改進，提高了安全強度，但同時也造成處理速度較慢、秘鑰計算時間加長、加密效率不高的問題。所以這裡還是簡單瞭解下，實際還是推薦用AES。
3. AES演算法
AES（AdvancedEncryption Standard，高階資料加密標準）演算法支援128位、192位和256位的秘鑰長度，加密速度比DES和DESede都快，至今還沒有被破解的報導。經過驗證，目前採用的AES演算法能夠有效抵禦已知的針對DES演算法的所有攻擊方法，如部分差分攻擊、相關秘鑰攻擊等。AES演算法因秘鑰建立時間短、靈敏性好、記憶體需求低等優點，在各個領域得到廣泛的研究與應用。
四、非對稱加密演算法
非對稱加密和對稱加密演算法相比，多了一把秘鑰，為雙秘鑰模式，一個公開稱為公鑰，一個保密稱為私鑰。遵循公鑰加密私鑰解密，或者私鑰加密公鑰解密。非對稱加密演算法源於DH演算法，後又有基於橢圓曲線加密演算法的金鑰交換演算法ECDH，不過目前最為流行的非對稱加密演算法是RSA。
RSA （Rivest–Shamir–Adleman algorithm）：
RSA 演算法是是目前應用最廣泛的非對稱加密演算法，像 SSL/TLS、SSH 等協議中就用到了 RSA 演算法。
RSA演算法是一種基於大數分解的困難性的非對稱加密演算法，它需要選擇兩個大素數作為私鑰的一部分，然後計算出它們的乘積作為公鑰的一部分（尋求兩個大素數比較簡單，而將它們的乘積進行因式分解卻極其困難）。
1. 使用公鑰和私鑰
1）公鑰用於加密資料，確保資料機密性。
2）私鑰用於解密資料，或者用於數字簽名，確保資料的完整性和來源。
2. 資料交換過程
RSA演算法的資料交換過程分為如下幾步：
1）A 生成 RSA 金鑰對（包括公鑰和私鑰）。
2）A 向 B 釋出公鑰，使得 B 能用公鑰來加密資料。
3）A 使用 B 的公鑰加密資料，並將加密後的資料傳送給 B。
4）B 使用自己的私鑰解密資料，以獲取原始訊息。
5）B 使用 A 的公鑰加密資料，並將加密後的資料傳送給 A。
6）A 使用自己的私鑰解密資料，以獲取原始訊息。
RSA 演算法的優點是簡單易用，可以用於資料加密和數字簽名；缺點是運算速度慢，不適合大量資料的加密。
參考連結：
https://juejin.cn/post/7022798228492042276
https://javaguide.cn/system-design/security/encryption-algorithms.html