為了防止我們的數據泄露，我們往往會對數據進行加密，特別是敏感數據，我們要求的安全性更高。下面將介紹幾種常用的加密算法使用。這些算法的加密對象都是基于二進制數據，如果要加密字符串就使用統一編碼（如：utf8）進行編碼后加密。
1.摘要算法
常用的摘要算法有MD5,SHA1。摘要算法是一個不可逆過程，就是無論多大數據，經過算法運算后都是生成固定長度的數據,一般結果使用16進制進行顯示。
MD5和SHA1的區別：MD5結果是128位摘要，SHa1是160位摘要。那么MD5的速度更快，而SHA1的強度更高。
下面統一使用MD5算法進行說明，SHA1類似。
主要用途有：驗證消息完整性，安全訪問認證，數據簽名。
- 消息完整性：由于每一份數據生成的MD5值不一樣，因此發送數據時可以將數據和其MD5值一起發送，然后就可以用MD5驗證數據是否丟失、修改。
- 安全訪問認證：這是使用了算法的不可逆性質，（就是無法從MD5值中恢復原數據）對賬號登陸的密碼進行MD5運算然后保存，這樣可以保證除了用戶之外，即使數據庫管理人員都無法得知用戶的密碼。
- 數字簽名：這是結合非對稱加密算法和CA證書的一種使用場景。
一般破解方法：字典法，就是將常用密碼生成MD5值字典，然后反向查找達到破解目的，因此建議使用強密碼。
MD5的使用—對文件進行摘要。
//對文件進行MD5摘要
public static String getMD5(String path){
String pathName = path;
String md5= "";
try {
File file = new File(pathName);
FileInputStream ins = new FileInputStream(file);
FileChannel ch = ins.getChannel();
MappedByteBuffer byteBuffer = ch.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0,file.length());
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
md.update(byteBuffer);
ins.close();
md5 = toHexString(md.digest());
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return md5;
}
//以16進制編碼進行輸出
final static char hex[] = {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','A','B','C','D','E','F'};
public static String toHexString(byte[] tmp){
String s;
char str[] = new char[tmp.length*2];
int k =0;
for (int i = 0; i < tmp.length; i++) {
byte byte0 = tmp[i];
str[k++] = hex[byte0>>>4&0xf];
str[k++] = hex[byte0&0xf];
}
s=new String(str);
return s;
}
SHA1的使用
//對文件進行SHA1摘要
public static String getSHA1(String path){
String pathName = path;
String sha1= "";
try {
File file = new File(pathName);
FileInputStream ins = new FileInputStream(file);
FileChannel ch = ins.getChannel();
MappedByteBuffer byteBuffer = ch.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0,file.length());
MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
sha.update(byteBuffer);
ins.close();
sha1 = toHexString(sha.digest());
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return sha1;
}
可以發現我們的關鍵代碼就是
MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
sha.update(byteBuffer);
ins.close();
byte[] r = sha.digest());
只是不同的算法初始化時不同罷了。MessageDigest.getInstance("SHA-1")
另外還可以使用
DigestUtils.sha1(data)；
DigestUtils.md5Hex(data)；
上面實現使用的是Apache下面的一個加解密開發包commons-codec
官方地址為：http://commons.apache.org/codec/
官方下載地址：http://commons.apache.org/codec/download_codec.cgi
2.對稱加密算法
對稱加密算法只是為了區分非對稱加密算法。其中鮮明的特點是對稱加密是加密解密使用相同的密鑰，而非對稱加密加密和解密時使用的密鑰不一樣。對于大部分情況我們都使用對稱加密，而對稱加密的密鑰交換時使用非對稱加密，這有效保護密鑰的安全。非對稱加密加密和解密密鑰不同，那么它的安全性是無疑最高的，但是它加密解密的速度很慢，不適合對大數據加密。而對稱加密加密速度快，因此混合使用最好。
常用的對稱加密算法有：AES和DES.
- DES：比較老的算法，一共有三個參數入口（原文，密鑰，加密模式）。而3DES只是DES的一種模式，是以DES為基礎更安全的變形，對數據進行了三次加密，也是被指定為AES的過渡算法。
- AES:高級加密標準，新一代標準，加密速度更快，安全性更高（不用說優先選擇）
AES的使用
AES密鑰長度可以選擇128位【16字節】，192位【24字節】和256位【32字節】密鑰（其他不行，因此別亂設密碼哦）。
/**使用AES對字符串加密
* @param str utf8編碼的字符串
* @param key 密鑰（16字節）
* @return 加密結果
* @throws Exception
*/
public static byte[] aesEncrypt(String str, String key) throws Exception {
if (str == null || key == null) return null;
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(key.getBytes("utf-8"), "AES"));
byte[] bytes = cipher.doFinal(str.getBytes("utf-8"));
return bytes;
}
/**使用AES對數據解密
* @param bytes utf8編碼的二進制數據
* @param key 密鑰（16字節）
* @return 解密結果
* @throws Exception
*/
public static String aesDecrypt(byte[] bytes, String key) throws Exception {
if (bytes == null || key == null) return null;
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(key.getBytes("utf-8"), "AES"));
bytes = cipher.doFinal(bytes);
return new String(bytes, "utf-8");
}
上面代碼是對字符串進行的加解密。但要注意的是AES算法的所有參數都是字節碼的（包括密鑰）。因此字符串字符需要轉換成字節碼后進行加密str.getBytes("utf-8")按照字符串的編碼進行轉換。另外參數：”AES/ECB/PKCS5Padding”在加密和解密時必須相同，可以直接寫”AES”,這樣就是使用默認模式（C#和java默認的模式不一樣，C#中默認的是這種,java的默認待研究）。分別的意思為：AES是加密算法，ECB是工作模式，PKCS5Padding是填充方式。
AES是分組加密算法，也稱塊加密。每一組16字節。這樣明文就會分成多塊。當有一塊不足16字節時就會進行填充。
一共有四種工作模式：
- ECB 電子密碼本模式：相同的明文塊產生相同的密文塊，容易并行運算，但也可能對明文進行攻擊。
- CBC 加密分組鏈接模式：一塊明文加密后和上一塊密文進行鏈接，不利于并行，但安全性比ECB好，是SSL,IPSec的標準。
- CFB 加密反饋模式：將上一次密文與密鑰運算，再加密。隱藏明文模式，不利于并行，誤差傳遞。
- OFB 輸出反饋模式：將上一次處理過的密鑰與密鑰運算，再加密。隱藏明文模式，不利于并行，有可能明文攻擊，誤差傳遞。
PKCS5Padding的填充方式是差多少字節就填數字多少；剛好每一不足16字節時，那么就會加一組填充為16.還有其他填充模式【Nopadding,ISO10126Padding】（不影響算法，加密解密時一致就行）。
DES的使用
和AES類似，指定為DES就行。3DES指定為”DESede”,DES密鑰長度是56位，3DES加長了密鑰長度，可以為112位或168位，所以安全性提高，速度降低。工作模式和填充模式標準和AES一樣。
/**使用DES對字符串加密
* @param str utf8編碼的字符串
* @param key 密鑰（56位，7字節）
* @return 加密結果
* @throws Exception
*/
public static byte[] desEncrypt(String str, String key) throws Exception {
if (str == null || key == null) return null;
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(key.getBytes("utf-8"), "DES"));
byte[] bytes = cipher.doFinal(str.getBytes("utf-8"));
return bytes;
}
/**使用DES對數據解密
* @param bytes utf8編碼的二進制數據
* @param key 密鑰（16字節）
* @return 解密結果
* @throws Exception
*/
public static String desDecrypt(byte[] bytes, String key) throws Exception {
if (bytes == null || key == null) return null;
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(key.getBytes("utf-8"), "DES"));
bytes = cipher.doFinal(bytes);
return new String(bytes, "utf-8");
}
3.非對稱加密（RSA）
這里主要對RSA進行介紹。
對稱加密加密解密使用的是相同的密鑰，而非對稱加密加密解密時使用的不同的密鑰，分為公鑰（public key）和私鑰(private key).公鑰可以公開，而私鑰自己保存。它利用的是兩個大質數相乘十分容易，而對其乘積進行因素分解十分困難。這樣就可以將乘積作為密鑰了,這個乘積為N值，根據兩個大質數選擇e和生成d,刪掉兩個大質數。這樣（N,e）為公鑰，（N,d）為私鑰，公鑰無法破解出私鑰（不作詳細介紹，我們不是研究算法的）。由于非對稱加密的密鑰生成麻煩，所以無法做到一次一密，而且其加密速度很慢，無法對大量數據加密。因此最常用的使用場景就是數字簽名和密碼傳輸，用作數字簽名時使用私鑰加密，公鑰解密；用作加密解密時，使用公鑰加密，私鑰解密。
需要注意的是RSA加密是有長度限制的，1024位密鑰可以加密128字節（1024位），不滿128字節的使用隨機數填充，但是RSA實現中必須要加隨機數（11字節以上），所以明文長度最大為117字節，然后剩下的加入隨機數。這也產生了每次加密結果每一次都不一樣的特點。
如果明文長度超過限制怎么辦？
- 1.可以與對稱加密混合使用，一次一密產生對稱加密的密鑰，然后使用此密鑰進行數據對稱加密，再使用RSA私鑰對對稱密鑰加密，一起保存。解密時使用公鑰解密出密鑰，然后進行數據解密。
- 2.可以分段加密。將明文按117字節分成多段，加密后再拼接起來。由于每一段密文長度都是128字節，所以解密時按照128字節分段解密。
java的RSA密鑰生成與使用
簡單使用
下面是java中的使用方法，先是生成密鑰對，然后加密，再解密。需要注意的是這個方法是不能跨語言使用的，因為里面對公鑰和私鑰用到的序列化是java的序列化。
由于加密后的密文都是字節碼形式的，我們要以字符串方式保存或傳輸的話，可以使用Base64編碼。
public class RSAUtil {
/** 指定加密算法為RSA */
private static String ALGORITHM = "RSA";
/*指定加密模式和填充方式*/
private static String ALGORITHM_MODEL = "RSA/ECB/PKCS1Padding";
/** 指定key的大小，一般為1024，越大安全性越高 */
private static int KEYSIZE = 1024;
/** 指定公鑰存放文件 */
private static String PUBLIC_KEY_FILE = "PublicKey";
/** 指定私鑰存放文件 */
private static String PRIVATE_KEY_FILE = "PrivateKey";
/**
* 生成密鑰對
*/
private static void generateKeyPair() throws Exception {
/** RSA算法要求有一個可信任的隨機數源 */
SecureRandom sr = new SecureRandom();
/** 為RSA算法創建一個KeyPairGenerator對象 */
KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
/** 利用上面的隨機數據源初始化這個KeyPairGenerator對象 */
kpg.initialize(KEYSIZE, sr);
/** 生成密匙對 */
KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();
/** 得到公鑰 */
Key publicKey = kp.getPublic();
/** 得到私鑰 */
Key privateKey = kp.getPrivate();
/** 用對象流將生成的密鑰寫入文件 */
ObjectOutputStream oos1 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(
PUBLIC_KEY_FILE));
ObjectOutputStream oos2 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(
PRIVATE_KEY_FILE));
oos1.writeObject(publicKey);
oos2.writeObject(privateKey);
/** 清空緩存，關閉文件輸出流 */
oos1.close();
oos2.close();
}
/**
* 加密方法 source： 源數據
*/
public static byte[] encrypt(String source) throws Exception {
/** 將文件中的公鑰對象讀出 */
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
PUBLIC_KEY_FILE));
Key key = (Key) ois.readObject();
ois.close();
/** 得到Cipher對象來實現對源數據的RSA加密 */
Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM_MODEL);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] b = source.getBytes();
/** 執行加密操作 */
byte[] b1 = cipher.doFinal(b);
return b1;
}
/**
* 解密算法 cryptograph:密文
*/
public static String decrypt(byte[] cryptograph) throws Exception {
/** 將文件中的私鑰對象讀出 */
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
PRIVATE_KEY_FILE));
Key key = (Key) ois.readObject();
/** 得到Cipher對象對已用公鑰加密的數據進行RSA解密 */
Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM_MODEL);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
/** 執行解密操作 */
byte[] b = cipher.doFinal(cryptograph);
return new String(b);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
generateKeyPair();//生成密鑰對
String source = "Hello World!";// 要加密的字符串
byte[] cryptograph = encrypt(source);// 生成的密文
//可以將密文進行base64編碼進行傳輸
System.out.println(new String(Base64.encode(cryptograph)));
String target = decrypt(cryptograph);// 解密密文
System.out.println(target);
}
}
RSA密鑰使用Base64編碼
要靈活使用肯定不能使用java的序列化保存了，我們對上面的generateKeyPair()方法進行改寫。通過密鑰生成器生成公鑰，私鑰后，調用publicKey.getEncoded()和privateKey.getEncoded()，此時它生成的比特編碼是有獨特格式的（公鑰是X.509，私鑰是PKCS#8）可以使用publicKey.getFormat()，privateKey.getFormat();進行查看。之后對字節碼進行Base64編碼就行了。
密鑰生成方法
//以base64編碼密鑰
public Map<String ,String> generateKeyPair1() throws Exception{
SecureRandom sr = new SecureRandom();
KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
kpg.initialize(1024, sr);
KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();
Key publicKey = kp.getPublic();
Key privateKey = kp.getPrivate();
byte[] pb = publicKey.getEncoded();
String pbStr = new String(Base64.encode(pb));
byte[] pr = privateKey.getEncoded();
String prStr = new String(Base64.encode(pr));
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
map.put("publicKey",pbStr);
map.put("privateKey", prStr);
return map;
}
恢復密鑰方法，使用各自不同的編碼形式恢復
//從base64編碼的公鑰恢復公鑰
public PublicKey getPulbickey(String key_base64) throws Exception{
byte[] pb = Base64.decode(key_base64).getBytes();
X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(pb);
KeyFactory keyfactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
return keyfactory.generatePublic(keySpec);
}
//從base64編碼的私鑰恢復私鑰
public PrivateKey getPrivatekey(String key_base64) throws Exception{
byte[] pb = Base64.decode(key_base64).getBytes();
PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(pb);
KeyFactory keyfactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
return keyfactory.generatePrivate(keySpec);
}
加密解密方法都類似下面,PrivateKey和PublicKey是Key的子接口。
/** 執行加密操作 */
public static byte[] encrypt(Key key,byte[] source) throws Exception{
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] ciphertext = cipher.doFinal(source);
return ciphertext;
}
/** 執行加密操作 */
public static byte[] decrypt(Key key,byte[] ciphertext) throws Exception{
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
byte[] source = cipher.doFinal(ciphertext);
return source;
}
記錄RSA的密鑰特征值并進行密碼恢復
所謂特征值就是RSA中公鑰（N,e）私鑰（N,d）的三個值：N,e,d。只要有這三個值我們就可以恢復密鑰了。這是實際開發中常用的方法。首先是提取特征值，我們需要將PublicKey強制轉換為RSAPublicKey.然后獲取，看代碼。
//提取特征值保存，以base64編碼密鑰
public static Map<String ,String> generateKeyPair2() throws Exception{
SecureRandom sr = new SecureRandom();
KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
kpg.initialize(1024, sr);
KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();
Key publicKey = kp.getPublic();
Key privateKey = kp.getPrivate();
RSAPublicKey rpk = (RSAPublicKey)publicKey;
RSAPrivateKey rpr= (RSAPrivateKey)privateKey;
//三個特征值都是BigInteger類型。
BigInteger N = rpk.getModulus();//N值
BigInteger e = rpk.getPublicExponent();//e值
BigInteger d = rpr.getPrivateExponent();//d值
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
//將BigInteger轉為byte[],然后以base64保存
map.put("N",new String(Base64.decode(N.toByteArray())));
map.put("e", new String(Base64.decode(e.toByteArray())));
map.put("d", new String(Base64.decode(d.toByteArray())));
return map;
}
利用三個特征值就可以非常容易恢復密鑰了。
//從base64編碼的特征值(N,e)恢復公鑰
public static PublicKey getPulbickey(String N_Str,String e_Str) throws Exception{
BigInteger N = new BigInteger(1, Base64.decode(N_Str.getBytes()));
BigInteger e = new BigInteger(1, Base64.decode(e_Str.getBytes()));
KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
RSAPublicKeySpec ps = new RSAPublicKeySpec(N, e);
PublicKey pkey = kf.generatePublic(ps);
return pkey;
}
//從base64編碼的特征值（N,d）恢復私鑰
public static PrivateKey getPrivatekey(String N_Str,String d_Str) throws Exception{
BigInteger N = new BigInteger(1, Base64.decode(N_Str.getBytes()));
BigInteger d = new BigInteger(1, Base64.decode(d_Str.getBytes()));
KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
RSAPrivateKeySpec ps = new RSAPrivateKeySpec(N, d);
PrivateKey pkey = kf.generatePrivate(ps);
return pkey;
}
C#生成的密鑰java中使用–記錄特征值的例子
C#生成的公鑰是保存在xml文件中的，使用的是Base64編碼，因此我們先解析出密鑰對象，然后再使用公鑰加密，而讓C#端服務器進行解密。Modulus就是N值，Exponent就是e值，然后組成（N,e）公鑰。
C#的密鑰形式如：
<RSAKeyValue>
<Modulus>7gFGAUTUBiSi8j+oZ4JY4NUNCfdGIxFLhKE0c4SbiHvNAiD7rxWnmuqXK4nVzOyjJsmCViA1aRN3+Tf5xMqxtjjCKWNRWAp5LMp2AfL3DrDcWV/ZjwPIUO52yEa+q2PyJ0OMgRxBA80WWBzv+EJm7/rq8wP9gpVI+HY0ACH8Kmk=
</Modulus>
<Exponent>AQAB</Exponent>
</RSAKeyValue>
//從xml中獲取公鑰
public static PublicKey getPublicKey(String xmlkey) throws Exception {
Document doc = XmlUtil.parseXml(xmlkey);
Node node = doc.getChildNodes().item(0);
NodeList list = node.getChildNodes();
String e = null, m = null;
for (int i = 0; i < list.getLength(); i++) {
String nodename = list.item(i).getNodeName();
String value = list.item(i).getTextContent();
if (nodename.equals("Modulus")) {
e = value;
} else if (nodename.equals("Exponent")) {
m = value;
}
}
BigInteger b1 = new BigInteger(1, Base64.decode(e.getBytes()));
BigInteger b2 = new BigInteger(1, Base64.decode(m.getBytes()));
System.out.println(b1 + "\n" + b2);
KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
RSAPublicKeySpec ps = new RSAPublicKeySpec(b1, b2);
PublicKey pkey = kf.generatePublic(ps);
return pkey;
}
//RSA加密
public static byte[] encrypt(byte[] data,PublicKey publickey) {
if (publickey == null || data == null) {
return null;
}
try {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publickey);
return cipher.doFinal(data);
} catch (Exception e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
return null;
}
//字符串轉Document
public static Document parseXml(String str) throws ParserConfigurationException, SAXException, IOException{
StringReader reader = new StringReader(str);
InputSource source = new InputSource(reader);
DocumentBuilderFactory factory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
DocumentBuilder builder = factory.newDocumentBuilder();
return builder.parse(source);
}
4.編碼的使用
常見的編碼有Base64,HEX和對URL的編碼。這都是為了實際需要才進行的編碼。HEX是編碼成16進制字符，MD5一般就是以HEX進行編碼，這不說了。
Base64
Base64一開始是為了解決郵件中不能傳文件和圖片問題而使用的，將無法閱讀的二進制碼轉化成字符形式，字符為（A-Za-z0-9+/）。它的原理是將3個8位字節（24位）轉化為4個6位字節（24位），之后在6位的前面補兩個0，形成8位一個字節形式，如果剩下的不足3字節，則用0填充，輸出字符使用”=”,所以編碼后文本可能出現1個或2個’=’.這樣就將原本3個字節變成了4個字節，那就是64種編碼了。當然，除了對二進制數據編碼，還可以對字符串編碼來隱藏明文，讓別人不那么容易看懂。
由于jdk中的base64是不開發使用了 ，所有需要下載到網上下載Base64包，我使用的是 javaBase64-1.2.jar，另外android sdk中是帶有base64的，位置是android.util.Base64
/*這里使用的是android.util.base64*/
byte[] input = "hello world".getBytes("utf8");
//編碼
byte[] encodeData = Base64.encode(input , 0);
//解碼
byte[] result = Base64.decode(encodeData , 0);
URL的編碼
url一般使用的都是英文、數字和某些符號，而對于特殊符號，中文等這些是不允許使用的。因此我們要在url請求中加入特殊符號，中文等就需要對它們進行編碼。http請求時，url部分是必須編碼的，get的請求字段可以不進行url編碼。比如
http://www.baidu.com/中文?wd=國際
“中文”必須進行url編碼，“國際”可以不用。
那url編碼到底是怎么進行編碼的呢？
都是在16進制前面加上‘%’表示。對于一些字符使用的是”%xx”，而對于中文，就是多個”%xx%xx%xx”，xx的數字有編碼的16進制決定（沒有指定字符編碼（utf8），則使用默認編碼），然后每一字節前面加”%”。
Android 中提供的URL編碼解碼方法。
String d = URLEncoder.encode('中文'，"utf8");
String f = URLDecoder.decode("%20");
RSA參考文章：
【1】 RSA算法使用介紹
【2】使用X.509數字證書加密解密實務（二）– 證書的獲得和管理
