Java实现常用的三种加密算法是什么(java,开发技术)

前言

编程中常见的加密算法有以下几种，它们在不同场景中分别有应用。除信息摘要算法外，其它加密方式都会需要密钥。

• 信息摘要算法

• 对称加密算法

• 非对称加密算法

密钥

密钥（key，又常称金钥）是指某个用来完成加密、解密、完整性验证等密码学应用的秘密信息。

密钥分类

• 加解密中的密钥：对称加密中共享相同的密钥，非对称加密中分公钥和私钥，公钥加密私钥解密。

• 消息认证码和数字签名中的密钥：在消息认证码中，消息发送方和接收方使用共享密钥进行认证。在数字签名中，签名使用私钥，而验证使用公钥。

• 会话密钥和主密钥：每次通信只使用一次的密钥称为会话密钥（session key）。相对于会话密钥，重复使用的密钥称为主密钥（master key）。

密钥和密码

密码一般是由用户生成，具有可读性，可以记忆和存储，常用于软件管理，而密钥是供实现加密算法的软件使用，不需要具备可读性（不过在编程中为了方便阅读都进行Base64）。我们也可以通过密码来生成密钥。

密钥管理

• 生成密钥：可以用随机数生成密钥，也可以用口令生成密钥。

• 配送密钥：可采用事先共享密钥、使用密钥分配中心、使用公钥密码、使用Diffie-Hellman密钥交换。

• 更新密钥

• 保存密钥

• 作废密钥

密钥生成

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

生成对称加密算法的密钥

publicstaticSecretKeygenerateKey(intkeySize){KeyGeneratorkeyGenerator;try{keyGenerator=KeyGenerator.getInstance("AES");keyGenerator.init(keySize);returnkeyGenerator.generateKey();}catch(NoSuchAlgorithmExceptione){//ignorereturnnull;}}

生成对称非对称加密算法的密钥

/***生成非对称密钥对**@paramkeySize密钥大小*@paramrandom指定随机来源，默认使用JCAUtil.getSecureRandom()*@return非对称密钥对*@throwsNoSuchAlgorithmExceptionNoSuchAlgorithm*/publicstaticPPKeysgenKeysRSA(intkeySize,SecureRandomrandom)throwsNoSuchAlgorithmException{KeyPairGeneratorgenerator=KeyPairGenerator.getInstance("RSA");if(null!=random){generator.initialize(keySize,random);}else{generator.initialize(keySize);}KeyPairpair=generator.generateKeyPair();PPKeyskeys=newPPKeys();PublicKeypublicKey=pair.getPublic();PrivateKeyprivateKey=pair.getPrivate();keys.setPublicKey(Base64.getEncoder().encodeToString(publicKey.getEncoded()));keys.setPrivateKey(Base64.getEncoder().encodeToString(privateKey.getEncoded()));returnkeys;}

密钥协商（Diffie-Hellman）

密钥协商是一种协议，两方或多方在通过该协议建立相同的共享密钥，然后通讯内容进行对称加密传输，而不需要交换密钥。

大致过程：每一方生成一个公私钥对并将公钥分发给其它方，当都获得其他方的公钥副本后就可以离线计算共享密钥。

Java中提供了KeyAgreement可以实现密钥协商。

• Alice 和 Bob 分别用他们的私钥初始化自己的密钥协商对象KeyAgreement，调用init()方法；

• 然后将通信的每一方的公钥 传入执行doPhase(Key key, boolean lastPhase)；

• 各方生成共享密钥generateSecret()。

publicstaticvoiddiffieHellman()throwsException{AlgorithmParameterGeneratordhParams=AlgorithmParameterGenerator.getInstance("DH");dhParams.init(1024);KeyPairGeneratorkeyGen=KeyPairGenerator.getInstance("DH");keyGen.initialize(dhParams.generateParameters().getParameterSpec(DHParameterSpec.class),newSecureRandom());KeyAgreementaliceKeyAgree=KeyAgreement.getInstance("DH");KeyPairalicePair=keyGen.generateKeyPair();KeyAgreementbobKeyAgree=KeyAgreement.getInstance("DH");KeyPairbobPair=keyGen.generateKeyPair();aliceKeyAgree.init(alicePair.getPrivate());bobKeyAgree.init(bobPair.getPrivate());aliceKeyAgree.doPhase(bobPair.getPublic(),true);bobKeyAgree.doPhase(alicePair.getPublic(),true);booleanagree=Base64.getEncoder().encodeToString(aliceKeyAgree.generateSecret()).equals(Base64.getEncoder().encodeToString(bobKeyAgree.generateSecret()));System.out.println(agree);}

信息摘要算法

信息摘要算法又叫加密散列算法，加密过程不需要密钥，常见的加密散列算法有MD系列和SHA系列。

一个理想的加密散列函数应该具备以下特性：

• 任何信息传入后，输出的总是长度固定；

• 消息摘要看起来是“随机的”，这样根据原始信息就很难推测出值；

• 好的散列函数碰撞概率应该极低，也就是不同信息传入后得到相同值的概率；

MD系列

MD5信息摘要算法（MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的加密散列函数，输出出一个128位（16字节）的散列值（hash value），MD5最初设计为加密散列函数，而目前发现它存在大量漏洞，所以不建议直接用作加密，不过在非加密场景下如：数据完整性校验，文件完整性校验它仍然有广泛的应用。

publicstaticStringmd5(Stringcontent){try{MessageDigestdigest=MessageDigest.getInstance("MD5");byte[]bytes=digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));returnHex.encodeHexString(bytes);}catch(finalNoSuchAlgorithmExceptione){thrownewIllegalArgumentException(e);}}

SHA系列

安全散列算法（Secure Hash Algorithm，缩写为SHA）是一个加密散列函数家族，是FIPS(美国联邦信息处理标准)所认证的安全散列算法。能计算出一个数字消息所对应到的，长度固定的字符串（又称消息摘要）的算法。且若输入的消息不同，它们对应到不同字符串的机率很高。

它们分别包含SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3，其中SHA-0、SHA-1输出长度是160位，SHA-2包含SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256，我们平时常用SHA-256。

publicstaticStringsha256(Stringcontent){try{MessageDigestdigest=MessageDigest.getInstance("SHA-256);byte[]bytes=digest.digest(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));returnHex.encodeHexString(bytes);}catch(finalNoSuchAlgorithmExceptione){thrownewIllegalArgumentException(e);}}

对称加密算法

对称加密算法，双方持有相同密钥进行加解密，常见的对称加密算法：DES3DESAES128AES192AES256。理解对称加密需要先明白下面几个概念：

• 分组密码模式：将明文切割进行加密，再将密文拼接到一起。比如AES中会将明文数据切割为大小16字节的数据块，最后一块不够16字节时，使用Padding模式进行补充。

• 填充（Padding）：它有三种模式PKCS5、PKCS7和NOPADDING，PKCS5用缺少的字节数来填充，比如缺少5个字节就填充5个数字5，PKCS7缺少的字节数用0来填充。如果数据刚好是16的整数倍，PKCS5和PKCS7会再补充一个16字节数据来区分填充和有效数据，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，在分组密码模式下IV大小对应数据块长度。

• 加密模式：四种加密模式分别是：ECB(电子密码本模式)、CBC(密码分组链接模式)、CFB、OFB。ECB模式是仅仅使用明文和密钥来加密数据，所以该模式下不需要Padding，安全性也较弱，CBC模式数据分块并且使用传入IV依次进行异或操作，安全性也相对较高，所以目前一般都选择CBC模式。

• 加密密钥：不同加密算法密钥长度不同，比如：DES 默认长度56位，3DES默认长度168位，也支持128位，AES默认128位，也支持192位，256位。我们一般根据密码生成密钥，密码长度需要满足算法密钥长度。

DES

DES是对称加密算法领域中的典型算法，因为密钥默认长度为56 bit，所以密码长度需要大于8 byte，DESKeySpec取前8 byte进行密钥制作。

publicstaticStringencryptDES(byte[]content,Stringpassword){try{SecureRandomrandom=newSecureRandom();DESKeySpecdesKeySpec=newDESKeySpec(password.getBytes());SecretKeyFactorysecretKeyFactory=SecretKeyFactory.getInstance("DES");SecretKeysecretKey=secretKeyFactory.generateSecret(desKeySpec);Ciphercipher=Cipher.getInstance("DES");cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,secretKey,random);returnBase64.getEncoder().encodeToString(cipher.doFinal(content));}catch(Exceptione){thrownewRuntimeException(e);}}publicstaticStringdecryptDES(Stringcontent,Stringpassword)throwsException{SecureRandomrandom=newSecureRandom();DESKeySpecdesKeySpec=newDESKeySpec(password.getBytes());SecretKeyFactorykeyFactory=SecretKeyFactory.getInstance("DES");SecretKeysecretKey=keyFactory.generateSecret(desKeySpec);Ciphercipher=Cipher.getInstance("DES");cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,secretKey,random);returnnewString(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(content)));}

3DES

3DES（即Triple DES）。是DES算法的加强，它使用3条56位的密钥对数据进行三次加密。它以DES为基本模块，通过组合分组方法设计出分组加密算法。比起最初的DES，3DES更为安全。密钥默认长度168 bit， 密码需要大于24 byte，IV 是8 byte的随机数字和字母数组。

publicstaticStringencrypt3DESECB(Stringcontent,Stringkey,Stringiv){try{IvParameterSpecivSpec=newIvParameterSpec(iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));DESedeKeySpecdks=newDESedeKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));SecretKeyFactorykeyFactory=SecretKeyFactory.getInstance("DESede");SecretKeysecretkey=keyFactory.generateSecret(dks);Ciphercipher=Cipher.getInstance("DESede/CBC/PKCS5Padding");cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,secretkey,ivSpec);returnBase64.getEncoder().encodeToString(cipher.doFinal(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));}catch(Exceptione){thrownewRuntimeException(e);}}publicstaticStringdecrypt3DESECB(Stringcontent,Stringkey,Stringiv){try{IvParameterSpecivSpec=newIvParameterSpec(iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));DESedeKeySpecdks=newDESedeKeySpec(key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));SecretKeyFactorykeyFactory=SecretKeyFactory.getInstance("DESede");SecretKeysecretkey=keyFactory.generateSecret(dks);Ciphercipher=Cipher.getInstance("DESede/CBC/PKCS5Padding");cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,secretkey,ivSpec);returnnewString(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(content)),StandardCharsets.UTF_8);}catch(Exceptione){thrownewRuntimeException(e);}}

AES

AES 高级数据加密标准，能够有效抵御已知的针对DES算法的所有攻击，默认密钥长度为128 bit，还可以供选择192 bit，256 bit。AES-128AES-192AES-256

默认AES-128，使用PBEKeySpec生成固定大小的密钥。

publicstaticStringencryptAES128(StringplainText,Stringpassword,Stringsalt)throwsException{SecretKeyFactoryfactory=SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");byte[]saltBytes=salt.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);//AES-128密钥长度为128bitPBEKeySpecspec=newPBEKeySpec(password.toCharArray(),saltBytes,1000,128);SecretKeysecretKey=factory.generateSecret(spec);SecretKeySpecsecret=newSecretKeySpec(secretKey.getEncoded(),"AES");Ciphercipher=Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");AlgorithmParametersparams=cipher.getParameters();IvParameterSpeciv=params.getParameterSpec(IvParameterSpec.class);cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,secret,iv);byte[]encryptedTextBytes=cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));StringencodedText=Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedTextBytes);StringencodedIV=Base64.getEncoder().encodeToString(iv.getIV());StringencodedSalt=Base64.getEncoder().encodeToString(saltBytes);returnencodedSalt+"."+encodedIV+"."+encodedText;}publicstaticStringdecryptAES128(StringencryptedText,Stringpassword)throwsException{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]);SecretKeyFactoryfactory=SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");PBEKeySpecspec=newPBEKeySpec(password.toCharArray(),saltBytes,1000,128);SecretKeysecretKey=factory.generateSecret(spec);SecretKeySpecsecret=newSecretKeySpec(secretKey.getEncoded(),"AES");Ciphercipher=Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,secret,newIvParameterSpec(ivBytes));byte[]decryptedTextBytes;try{decryptedTextBytes=cipher.doFinal(encryptedTextBytes);returnnewString(decryptedTextBytes);}catch(IllegalBlockSizeException|BadPaddingExceptione){thrownewRuntimeException(e);}}

使用AES-256时可能会出现下面异常：

java.security.InvalidKeyException:Illegalkeysize

JDK 1.8.0_161 及以上版本默认已经启用无限强度加密：

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

JDK 1.8.0_161以前版本需要手动安装 jce策略文件（下载地址）

非对称加密算法

非对称加密使用一对密钥，公钥用作加密，私钥则用作解密。关于密钥大小，截至2020年，公开已知的最大RSA密钥是破解的是829位的RSA-250，建议至少使用 2048 位密钥。

publicstaticStringencrypt(byte[]publicKey,StringplainText){X509EncodedKeySpeckeySpec=newX509EncodedKeySpec(publicKey);KeyFactorykf;try{kf=KeyFactory.getInstance("RSA");PublicKeypublicKeySecret=kf.generatePublic(keySpec);Ciphercipher=Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,publicKeySecret);byte[]encryptedBytes=cipher.doFinal(plainText.getBytes());returnnewString(Base64.getEncoder().encode(encryptedBytes));}catch(Exceptione){log.error("Rsaencrypterror",e);thrownewRuntimeException(e);}}publicstaticStringdecrypt(byte[]privateKey,StringencryptedText){PKCS8EncodedKeySpeckeySpec=newPKCS8EncodedKeySpec(privateKey);KeyFactorykf;try{kf=KeyFactory.getInstance("RSA");PrivateKeyprivateKeySecret=kf.generatePrivate(keySpec);Ciphercipher=Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,privateKeySecret);returnnewString(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedText)),StandardCharsets.UTF_8);}catch(Exceptione){log.error("Rsadecrypterror",e);thrownewRuntimeException(e);}}