密码学 加密算法

密码学相关概念

明文、密文、密钥、加密、解密

  • 明文：指没有经过加密的信息/数据。
  • 密文：明文被加密算法加密之后，会变成密文，以确保数据安全。
  • 密钥：是一种参数，它是在明文转换为密文或将密文转换为明文的算法中输入的参数。密钥分为对称密钥与非对称密钥。
  • 加密：将明文变成密文的过程。

  • 解密：将密文还原为明文的过程。

    对称加密、非对称加密

  • 对称加密：加密和解密使用相同密钥的加密算法。

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  • 非对称加密：非对称加密算法需要两个密钥（公开密钥和私有密钥）。公钥与私钥是成对存在的，如果用公钥对数据进行加密，只有对应的私钥才能解密。

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公钥、私钥

  • 公钥与私钥是成对存在的密钥，如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密。
  • 其实，公钥就是公开的秘钥，私钥就是要私自保存好的秘钥。
  • 非对称加密算法需要有一对公私钥~

    假设有一个文件，用字母a加密，只有字母b才能解密;或者用b加密，只有a才能解密，那么a和b就是一对公私钥。如果密钥a公开，密钥b就要私自保存好啦，这时候密钥a就是公钥，密钥b就是私钥。相反，如果b公开，a就要保存好，这时候呢，秘钥b就是公钥，秘钥a就是私钥。

常见加密相关算法简介

  • 消息摘要算法
  • 对称加密算法
  • 非对称加密算法

  • 国密算法

    消息摘要算法

  • 相同的明文数据经过相同的消息摘要算法会得到相同的密文结果值。

  • 数据经过消息摘要算法处理，得到的摘要结果值，是无法还原为处理前的数据的。
  • 数据摘要算法也被称为哈希（Hash）算法或散列算法。
  • 消息摘要算法一般用于签名验签。

消息摘要算法主要分三类：MD（Message Digest，消息摘要算法）、SHA（Secure Hash Algorithm，安全散列算法）和MAC（Message Authentication Code，消息认证码算法）。
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MD系列算法

MD（Message Digest，消息摘要算法），包括MD2，MD4，MD5。

  • MD2，MD4，MD5 计算的结果都是是一个128位（即16字节）的散列值，用于确保信息传输完整一致。
  • MD2的算法较慢但相对安全，MD4速度很快，但安全性下降，MD5则比MD4更安全、速度更快。
  • MD5被广泛应用于数据完整性校验、数据（消息）摘要、数据加密等。
  • MD5，可以被破解，对于需要高度安全性的数据，专家一般建议改用其他算法，如SHA-2。2004年，证实MD5算法无法防止碰撞攻击，因此不适用于安全性认证，如SSL公开密钥认证或是数字签名等用途。

获取字符串的MD5值

  1. public class MD5Test {
  2.     public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {
  3.         String s = "123";
  4.         byte[] result = getMD5Bytes(s.getBytes());
  5.         StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
  6.         for (byte temp : result) {
  7.             if (temp >= 0 && temp < 16) {
  8.                 stringBuilder.append("0");
  9.             }
  10.             stringBuilder.append(Integer.toHexString(temp & 0xff));
  11.         }
  12.         System.out.println(s + ",MD5加密后:" + stringBuilder.toString());
  13.     }
  14.     private static byte[] getMD5Bytes(byte[] content) {
  15.         try {
  16.             MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
  17.             return md5.digest(content);
  18.         } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
  19.             throw new RuntimeException(e);
  20.         }
  21.     }
  22. }

运行结果：

  1. 123,MD5加密后:202cb962ac59075b964b07152d234b70

ShA系列算法

SHA（Secure Hash Algorithm，安全散列算法），包括SHA-0、SHA-1、SHA-2(SHA-256,SHA-512,SHA-224,SHA-384等)、SHA-3。它是在MD算法基础上实现的，与MD算法区别在于「摘要长度」，SHA 算法的摘要「长度更长，安全性更高」。

  • SHA-0发布之后很快就被NSA撤回，因为含有会降低密码安全性的错误，它是SHA-1的前身。
  • SHA-1在许多安全协议中广为使用，包括TLS、GnuPG、SSH、S/MIME和IPsec，是MD5的后继者。
  • SHA-2包括SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。它的算法跟SHA-1基本上相似，目前还没有出现明显弱点。
  • SHA-3是2015年正式发布，由于对「MD5出现成功的破解」，以及对SHA-0和SHA-1出现理论上破解的方法，SHA-3应运而生。它与之前算法不同的是，它是可替换的加密散列算法。

SHA-1、SHA-2(SHA-256,SHA-512,SHA-224,SHA-384)等算法是比较常用的，跟MD5的对比如下

算法类型 摘要长度（bits） 最大输入消息长度（bits） 碰撞攻击（bits） 性能示例(MiB/s)
MD5 128 无限 ≤18（发现碰撞） 335
SHA-1 160 2^64 − 1 <63（发现碰撞） 192
SHA-224 224 2^64 − 1 112 139
SHA-256 256 2^64 − 1 128 139
SHA-384 384 2^128 − 1 192 154
SHA-512 512 2^128 − 1 256 154

MAC系列算法

MAC算法 MAC（Message Authentication Code，消息认证码算法），是带密钥的Hash函数。输入密钥和消息，输出一个消息摘要。它集合了MD和SHA两大系列消息摘要算法。

  • MD 系列算法: HmacMD2、HmacMD4 和 HmacMD5 ；

  • SHA 系列算法：HmacSHA1、HmacSHA224、HmacSHA256、HmacSHA384 和 HmacSHA512 。

    对称加密算法

    加密和解密使用「相同密钥」的加密算法就是对称加密算法。常见的对称加密算法有AES、3DES、DES、RC5、RC6等。
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    DES

    数据加密标准（英语：Data Encryption Standard，缩写为 DES）是一种对称密钥加密块密码算法。DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。

  • Key: 7个字节共56位，是DES算法的工作密钥；

  • Data: 8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；

  • Mode: 加密或解密。

    3DES

    三重数据加密算法（英语：Triple Data Encryption Algorithm，又称3DES（Triple DES），是一种对称密钥加密块密码，相当于是对每个数据块应用三次数据加密标准（DES）算法。

    AES

    AES，高级加密标准（英语：Advanced Encryption Standard），在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。

  • 采用对称分组密码体制，密钥长度为 128 位、 192 位、256 位，分组长度128位

  • 相对于DES ，AES具有更好的 安全性、效率 和 灵活性。

    非对称加密算法

    非对称加密算法需要两个密钥：公钥和私钥。公钥与私钥是成对存在的，如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密。主要的非对称加密算法有：RSA、Elgamal、DSA、D-H、ECC。
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    RSA算法

  • RSA加密算法是一种非对称加密算法,广泛应用于加密和数字签名

  • RSA算法原理：两个大素数的乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。

  • RSA是被研究得最广泛的公钥算法，从提出到现在，经历了各种攻击的考验，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。

    DSA

  • DSA(Digital Signature Algorithm,数字签名算法),也是一种非对称加密算法。

  • DSA和RSA区别在，DSA仅用于数字签名，不能用于数据加密解密。其安全性和RSA相当，但其性能要比RSA好。

    ECC 算法

  • ECC（Elliptic Curves Cryptography，椭圆曲线密码编码学），基于椭圆曲线加密。

  • Ecc主要优势是，在某些情况下，它比其他的方法使用更小的密钥，比如RSA加密算法，提供相当的或更高等级的安全级别。

  • 它的一个缺点是，加密和解密操作的实现比其他机制时间长 (相比RSA算法，该算法对CPU 消耗严重)。

    国密算法

    国密即国家密码局认定的国产密码算法。为了保障商用密码的安全性，国家商用密码管理办公室制定了一系列密码标准，即SM1，SM2，SM3，SM4等国密算法。
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    SM1

  • SM1，为对称加密算法，加密强度为128位，基于硬件实现。

  • SM1的加密强度和性能，与AES相当。

    SM2

  • SM2主要包括三部分：签名算法、密钥交换算法、加密算法

  • SM2用于替换RSA加密算法，基于ECC，效率较低。

    SM3

  • SM3，即国产消息摘要算法。

  • 适用于商用密码应用中的数字签名和验证，消息认证码的生成与验证以及随机数的生成。

    SM4

  • SM4是一个分组算法，用于无线局域网产品。

  • 该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特。
  • 加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构。
  • 解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。
  • 它的功能类似国际算法的DES。