一、手写简单加密算法（凯撒密码）
首先，我们需要知道几个基本概念：
- 明文：原始信息。
- 密钥：加密与解密算法的参数，直接影响对明文进行变换的结果。
- 密文：对明文进行变换的结果。
- 加密算法：以密钥为参数，对明文进行多种置换和转换的规则和步骤，变换结果为密文。
- 解密算法：加密算法的逆变换，以密文为输入、密钥为参数，变换结果为明文。
1. 凯撒密码介绍
凯撒密码作为一种最为古老的加密技术,在古罗马的时候都已经很流行，他的基本思想是：通过把字母移动一定的位数来实现加密和解密。明文中的所有字母都在字母表上向后（或向前）按照一个固定数目进行偏移后被替换成密文。例如，当偏移量是 3 的时候，所有的字母 A 将被替换成 D，B 变成 E，由此可见，位数就是凯撒密码加密和解密的密钥。<br /> 字符串”ABC”的每个字符都右移 3 位则变成”DEF”，解密的时候”DEF”的每个字符左移 3 位即能还原，如下图所示：
public class CaesarDemo {private static final String str = "hei ma!";private static final int key = 3;public static void main(String[] args) {String encrypt = encrypt(str,key);System.out.println("加密后的文本：" + encrypt);String decrypted = decrypted(encrypt,key);System.out.println("解密后的文本:" + decrypted);}/*** 加密* @param input 数据源（需要加密的数据）* @param key 秘钥，即偏移量* @return 返回加密后的数据*/public static String encrypt(String input,int key) {char[] charArray = input.toCharArray();for (int i = 0; i < charArray.length; i++) {//字符转换成 ASCII 码值int ascii = charArray[i];//字符偏移，例如 a->bascii = ascii + key;//ASCII 码值转换为 charchar newChar = (char) ascii;//替换原有字符charArray[i] = newChar;//以上 4 行代码可以简写为以下两种任一行//charArray[i] = (char) (charArray[i] + key)//charArray[i] += key;}return new String(charArray);}//解密:就是加密的反操作public static String decrypted(String input,int key) {char[] charArray = input.toCharArray();for (int i = 0; i < charArray.length; i++) {charArray[i] -= key;}return new String(charArray);}}
2. 破解凯撒密码-频率分析法
如果我们知道一个密码是用凯撒密码加密的，可以使用暴力破解法来解密：凯撒移位密码只有25种密钥，最多就是将这25种可能性挨个检测一下可以了。那在不知道的前提下，又怎样判断是凯撒密码呢？这得用到 **频率分析法**。在任何一种书面语言中，不同的字母或字母组合出现的频率各不相同。而且，对于以这种语言书写的任意一段文本，都具有大致相同的特征字母分布。比如，在英语中，字母 E 出现的频率很高，而 X 则出现得较少。英语文本中典型的字母分布情况如下图所示：
破解流程：
1. 统计密文里出现次数最多的字符，例如出现次数最多的字符是是’h’。
2. 计算字符’h’到’e’的偏移量，值为 3，则表示原文偏移了 3 个位置。
3. 将密文所有字符恢复偏移 3 个位置。
注意点：
- 统计密文里出现次数最多的字符时，需多统计几个备选，因为最多的可能是空格或者其他字符。
- 短文可能严重偏离标准频率，假如文章少于100个字母，那么对它的解密就会比较困难,而且不是所有文章都适用标准频度.
二.对称加密
1. 概述
加密和解密都使用同一把密钥，这种加密方法称为对称加密，也称为单密钥加密。简单理解为：加密解密都是同一把钥匙。 上节中学到的凯撒密码就属于对称加密，他的字符偏移量即为密钥。基于“对称密钥”的加密算法主要有DES算法，3DES算法，AES算法，Blowfish算法，RC5算法和IDEA算法等等，我们这里主要介绍DES算法和AES算法。
2.对称密码常用的数学运算
对称密码当中有几种常用到的数学运算。
◆移位和循环移位
移位就是将一段数码按照规定的位数整体性地左移或右移。循环右移就是当右移时，把数码的最后的位移到数码的最前头，循环左移正相反。
例如，对十进制数码12345678循环右移1位（十进制位）的结果为81234567，而循环左移1位的结果则为23456781。<br />**◆置换**<br /> 就是将数码中的某一位的值根据置换表的规定，用另一位代替。它不像移位操作那样整齐有序，看上去杂乱无章。这正是加密所需,被经常应用。<br />**◆扩展**<br /> 就是将一段数码扩展成比原来位数更长的数码。扩展方法有多种,例如,可以用置换的方法，以扩展置换表来规定扩展后的数码每一位的替代值。<br />**◆压缩**<br /> 就是将一段数码压缩成比原来位数更短的数码。压缩方法有多种，例如，也可以用置换的方法，以表来规定压缩后的数码每一位的替代值。<br />**◆异或**<br /> 这是一种二进制布尔代数运算。异或的数学符号为⊕ ，它的运算法则如下：<br /> 1⊕1 = 0 <br /> 0⊕0 = 0 <br /> 1⊕0 = 1 <br /> 0⊕1 = 1 <br /> 也可以简单地理解为，参与异或运算的两数位如相等，则结果为0，不等则为1。<br />**◆迭代**<br /> 迭代就是多次重复相同的运算，这在密码算法中经常使用，以使得形成的密文更加难以破解。
总结：这些运算主要是对比特位进行操作，其共同目的就是把被加密的明文数码尽可能深地打乱，从而加大破译的难度。
三.对称加密算法
1. DES算法
①.简介
DES是Data Encryption Standard（数据加密标准）的缩写。它是由IBM公司研制的一种对称密码算法，美国国家标准局于1977年公布把它作为非机要部门使用的数据加密标准，三十年来，它一直活跃在国际保密通信的舞台上，扮演了十分重要的角色。DES是一个分组加密算法，典型的DES以64位为分组对数据加密，加密和解密用的是同一个算法。它的密钥长度是56位（因为每个第8 位都用作奇偶校验），密钥可以是任意的56位的数，其保密性依赖于密钥。DES加密的算法框架大致如下：
首先要生成一套加密密钥，从用户处取得一个64位长的密码口令，然后通过等分、移位、选取和迭代形成一套16个加密密钥，分别供每一轮运算中使用。
DES对64位(bit)的明文分组M进行操作，M经过一个初始置换IP，置换成m0。将m0明文分成左半部分和右半部分，各32位长。然后进行16轮完全相同的运算（迭代），在每一轮运算过程中数据与相应的密钥结合。
经过16轮迭代后，左、右半部分合在一起经过一个末置换（数据整理），这样就完成了加密过程。
加密流程如图所示：
②代码实现
import java.security.Key;import javax.crypto.Cipher;import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;public class DesTest {public static void main(String[] args) throws Exception {String str = "这是原文";String psw = "12345678";String encrypt = encrypt(str, psw);System.out.println("加密后："+encrypt);String decrypt = decrypt(encrypt, psw);System.out.println("解密后："+decrypt);}public static String encrypt(String original,String psw) throws Exception {//创建加密对象，参数为加密算法Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");// 调用自己的方法生成密钥Key key = getKey(psw);/*** 初始化加密器* 参数 1：加密模式* 参数 2：密钥*/cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);//执行加密，解密后得到的字节数组byte[] doFinal = cipher.doFinal(original.getBytes());//将自己数组用 Base64 编码，转换为字符串String encode = Base64.encode(doFinal);return encode;}/*** 这个方法可以让任意长度的密码转成64位的密码* 1. 从指定字符串生成密钥，密钥所需的字节数组长度为 8 位* 2. 不足 8 位时后面补 0，超出 8 位只取前 8 位*/private static SecretKeySpec getKey(String psw) {byte[] buffer = new byte[8];byte[] bytes = psw.getBytes();for(int i=0;i<buffer.length&&i<bytes.length;i++){buffer[i]=bytes[i];}return new SecretKeySpec(buffer, "DES");}public static String decrypt(String original,String psw) throws Exception{//获取加密器(同时也是解密器)Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");//获取密钥Key key = getKey(psw);//初始化密码器，设置为解密模式cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);//解密。注意，这里需要将传入的原文使用 Base64 编码转换为 byte，因为加密后的密文是用 Base64 编码的byte[] doFinal = cipher.doFinal(Base64.decode(original));//将解密后的字节数组转换为字符串return new String(doFinal);}}
2. Base64编码
①简介
加密后的结果是字节数组，这些被加密后的字节在码表（例如GBK、 UTF-8 码表）上找不到对应字符，会出现乱码，当乱码字符串再次转换为字节数组时，长度会变化，导致解密失败，所以转换后的数据是不安全的。使用 Base64 对字节数组进行编码，任何字节都能映射成对应的 Base64 字符，之后能恢复到字节数组，利于加密后数据的保存和传输，所以转换是安全的。Base64码表如下：
②编解码原理
a、当字符串字符个数为3的整数倍时：
比如字符串“ABC”，其在计算机内存中的 十六进制表示为 41、42、43，十进制表示为“65”“66”“67”；二进制表示为01000001 01000010 01000011 将这三个二进制数依次取6bit
，010000/01 0100/0010 01/000011 就转换成了：
010000 010100 001001 000011，将这四个二进制数转换成十六制数为：
10，14，9，3，十进制数位为16，20，9，3。对照上面的码表，分别查
找出对应的字符为Q，U，J，D。
也是就说字符串“ABC”经过BASE64编码后得 出“QUJD”。这是最简单的情况，即ASCII码字符数刚好可以被3整除。接着继续讨论余数为2、为1的情况。
b、当字符串字符个数除以3余数为2时：
比如字符串“ce”，其在内存中十六进制表示为63，65；十 进制表示表示99，101；二进制表示为01100011 01100101 依次取6bit
011000/11 0110/0101 这时，第3个字符不足6位，在后面补零，也就
是0101变成010100。转换结果为
011000 110110 010100 这3个二进 制数转换成十六制数为18，36，14；十进制数位为24，54，20。对照码表 得出结果“Y2U”。编码后的字符个数不足4位，用“＝”填充，最后编码得出“Y2U=”。
c、当余数为1时：
比如字符串“{”，其在内存中的十六进制表示为$7B，十进制为 123，二进制位表示为01111011 依次取6bit011110/11 补0后为
011110/110000 转换结果为011110和110000。这两个二进制数转换成
十六进制数为1E，30，十进制数为30，48。对照码表得出结果为“ew”，补上
“＝”，最后编码得出“ew= =”。解码也很简单，是编码的逆过程，即将每 个字符对照码表换算成6bit的二进制数，然后重组起来，按8位进行截取，得出原码。
3. 3DES和AES算法
①3DES算法
DES 的安全性首先取决于密钥的长度。密钥越长，破译者利用穷举法搜索密钥的难度就越大。DES采用**64bit分组长度**和**56bit密钥长度**：<br />随着软硬件技术的发展，多核CPU、分布式计算、量子计算等理论的实现，DES在穷举方式的暴力攻击下还是相当脆弱的，因此很多人想办法用某种算法替代它，面对这种需求广泛被采用的有两种方案： <br /> 1. 设计一套全新的算法，例如AES，这个在后面会说到。 <br /> 2. 为了保护已有软硬件的投资，仍使用DES，但使用多个密钥进行多次加密，这就是多重DES加密。例如后来演变出的 **3-DES** 算法使用了 3 个独立密钥（密钥长度为168bit）进行三重 DES 加密，这就比 DES 大大提高了安全性。如果 56 位 DES 用穷举搜索来破译需要 2∧56 次运算，而 3-DES 则需要 2∧112 次。
②AES算法
a.简介
3DES缺点是算法运行相对较慢。因为原来DES是为70年代的硬件设计的，算法代码并不是很高效，而3DES是DES算法的3轮迭代，因此更慢。而且DES和3DES的分组大小都是64bit，3DES密钥长度却是168bit，处于加密效率和安全的考虑，需要更大的分组长度。于是AES应运而生。Advanced Encryption Standard 高级加密标准，该标准是美国国家标准技术研究所于2001年颁布的。AES旨在取代DES成为广泛使用的标准，2006年AES已成为最流行的对称加密算法。AES使用的**分组大小为128bit**，密钥长度可以为128、192、256 bit。最简单最常用的也就是 **128 bit(16字节)** 的密钥。**b.算法原理**AES 加密过程涉及到 4 种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。解密过程分别为对应的逆操作。由于每一步操作都是可逆的，按照相反的顺序进行解密即可恢复明文。加解密中每轮的密钥分别由初始密钥扩展得到。算法中 16（byte）字节的明文、密文和轮密钥都以一个 4x4 的矩阵表示。 <br />**c.代码实现**AES的java实现比较简单，只需要把密码设置为16byte，然后将DES算法实现的java代码中，将DES修改为AES即可。
四.总结
到这里，我们的课程也即将告一段落了。最后大致的总结一下三种对称加密算法：
DES作为安全性最弱的算法已经在实际运用面临淘汰，而3DES依然在已有的软硬件中返回余热。不过3DES效率太低，在更多的领域被安全和效率兼具的AES所替代。在实际开发中，对称加密算法这部分的运用大致如下图所示：
当然，这只是一个非常简易的模型。我们学习到这，加密也就入门，更多的知识有待于大家进一步发掘！
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