计算机基础

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加密算法是一种用数学方法对数据进行变换的技术，目的是保护数据的安全，防止被未经授权的人读取或修改。加密算法可以分为三大类：对称加密算法、非对称加密算法和哈希算法（也叫摘要算法）。

日常开发中常见的需要用到加密算法的场景：

  1. 保存在数据库中的密码需要加盐之后使用哈希算法（比如 BCrypt）进行加密。
  2. 保存在数据库中的银行卡号、身份号这类敏感数据需要使用对称加密算法（比如 AES）保存。
  3. 网络传输的敏感数据比如银行卡号、身份号需要用 HTTPS + 非对称加密算法（如 RSA）来保证传输数据的安全性。
  4. ……

ps: 严格上来说，哈希算法其实不属于加密算法，只是可以用到某些加密场景中（例如密码加密），两者可以看作是并列关系。加密算法通常指的是可以将明文转换为密文，并且能够通过某种方式（如密钥）再将密文还原为明文的算法。而哈希算法是一种单向过程，它将输入信息转换成一个固定长度的、看似随机的哈希值，但这个过程是不可逆的，也就是说，不能从哈希值还原出原始信息。

加盐：盐（Salt）在密码学中，是指通过在密码任意固定位置插入特定的字符串，让哈希后的结果和使用原始密码的哈希结果不相符。

哈希算法 ​

哈希算法也叫散列函数或摘要算法，它的作用是对任意长度的数据生成一个固定长度的唯一标识，也叫哈希值、散列值或消息摘要（后文统称为哈希值）。

哈希算法的是不可逆的（毕竟还存在哈希冲突的问题），你无法通过哈希之后的值再得到原值。

哈希值的作用是可以用来验证数据的完整性和一致性。

哈希算法可以简单分为两类：

  1. 加密哈希算法：安全性较高的哈希算法，它可以提供一定的数据完整性保护和数据防篡改能力，能够抵御一定的攻击手段，安全性相对较高，但性能较差，适用于对安全性要求较高的场景。例如 SHA2、SHA3、SM3、RIPEMD-160、BLAKE2、SipHash 等等。
  2. 非加密哈希算法：安全性相对较低的哈希算法，易受到暴力破解、冲突攻击等攻击手段的影响，但性能较高，适用于对安全性没有要求的业务场景。例如 CRC32、MurMurHash3、SipHash 等等。

除了这两种之外，还有一些特殊的哈希算法，例如安全性更高的慢哈希算法。

常见的哈希算法有：

  • MD（Message Digest，消息摘要算法）：MD2、MD4、MD5 等，已经不被推荐使用。

  • SHA（Secure Hash Algorithm，安全哈希算法）：SHA-1 系列安全性低，SHA2，SHA3 系列安全性较高。

    • SHA-256是SHA2系列

  • 国密算法：例如 SM2、SM3、SM4，其中 SM2 为非对称加密算法，SM4 为对称加密算法，SM3 为哈希算法（安全性及效率和 SHA-256 相当，但更适合国内的应用环境）。

  • Bcrypt（密码哈希算法）：可以采用加盐或者cost设置多次加密，增加复杂度

  • MAC（Message Authentication Code，消息认证码算法）：HMAC 是一种基于哈希的 MAC，可以与任何安全的哈希算法结合使用，例如 SHA-256。

  • CRC：（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）：CRC32 是一种 CRC 算法，它的特点是生成 32 位的校验值，通常用于数据完整性校验、文件校验等场景。

  • SipHash：加密哈希算法，它的设计目的是在速度和安全性之间达到一个平衡，用于防御哈希泛洪 DoS 攻击。Rust 默认使用 SipHash 作为哈希算法，从 Redis4.0 开始，哈希算法被替换为 SipHash。

  • MurMurHash：经典快速的非加密哈希算法，目前最新的版本是 MurMurHash3，可以生成 32 位或者 128 位哈希值；

  • ……

哈希算法一般是不需要密钥的，但也存在部分特殊哈希算法需要密钥。例如，MAC 和 SipHash 就是一种基于密钥的哈希算法，它在哈希算法的基础上增加了一个密钥，使得只有知道密钥的人才能验证数据的完整性和来源。

对称加密 ​

对称加密算法是指加密和解密使用同一个密钥的算法，也叫共享密钥加密算法。

对称加密

常见的对称加密算法有 DES、3DES、AES 等。

DES 和 3DES ​

DES（Data Encryption Standard）使用 64 位的密钥(有效秘钥长度为 56 位,8 位奇偶校验位)和 64 位的明文进行加密。

虽然 DES 一次只能加密 64 位，但我们只需要把明文划分成 64 位一组的块，就可以实现任意长度明文的加密。如果明文长度不是 64 位的倍数，必须进行填充，常用的模式有 PKCS5Padding, PKCS7Padding, NOPADDING。

DES 加密算法的基本思想是将 64 位的明文分成两半，然后对每一半进行多轮的变换，最后再合并成 64 位的密文。这些变换包括置换、异或、选择、移位等操作，每一轮都使用了一个子密钥，而这些子密钥都是由同一个 56 位的主密钥生成的。DES 加密算法总共进行了 16 轮变换，最后再进行一次逆置换，得到最终的密文。

DES（Data Encryption Standard）

这是一个经典的对称加密算法，但也有明显的缺陷，即 56 位的密钥安全性不足，已被证实可以在短时间内破解。

为了提高 DES 算法的安全性，人们提出了一些变种或者替代方案，例如 3DES（Triple DES）。

3DES（Triple DES）是 DES 向 AES 过渡的加密算法，它使用 2 个或者 3 个 56 位的密钥对数据进行三次加密。3DES 相当于是对每个数据块应用三次 DES 的对称加密算法。

为了兼容普通的 DES，3DES 并没有直接使用 加密->加密->加密 的方式，而是采用了加密->解密->加密 的方式。当三种密钥均相同时，前两步相互抵消，相当于仅实现了一次加密，因此可实现对普通 DES 加密算法的兼容。3DES 比 DES 更为安全，但其处理速度不高。

AES ​

AES（Advanced Encryption Standard）算法是一种更先进的对称密钥加密算法，它使用 128 位、192 位或 256 位的密钥对数据进行加密或解密，密钥越长，安全性越高。

AES 也是一种分组(或者叫块)密码，分组长度只能是 128 位，也就是说，每个分组为 16 个字节。AES 加密算法有多种工作模式（mode of operation），如：ECB、CBC、OFB、CFB、CTR、XTS、OCB、GCM（目前使用最广泛的模式）。不同的模式参数和加密流程不同，但是核心仍然是 AES 算法。

和 DES 类似，对于不是 128 位倍数的明文需要进行填充，常用的填充模式有 PKCS5Padding, PKCS7Padding, NOPADDING。不过，AES-GCM 是流加密算法，可以对任意长度的明文进行加密，所以对应的填充模式为 NoPadding，即无需填充。

AES 的速度比 3DES 快，而且更安全。

AES（Advanced Encryption Standard）

DES 算法和 AES 算法简单对比（图片来自于：RSA vs. AES Encryption: Key Differences Explained）：

DES 和 AES 对比

基于 Java 实现 AES 算法代码示例：

点击查看完整代码实现
点击查看完整代码实现
java
private static final String AES_ALGORITHM = "AES";
// AES密钥
private static final String AES_SECRET_KEY = "4128D9CDAC7E2F82951CBAF7FDFE675B";
// AES加密模式为GCM，填充方式为NoPadding
// AES-GCM 是流加密（Stream cipher）算法，所以对应的填充模式为 NoPadding，即无需填充。
private static final String AES_TRANSFORMATION = "AES/GCM/NoPadding";
// 加密器
private static Cipher encryptionCipher;
// 解密器
private static Cipher decryptionCipher;

/**
 * 完成一些初始化工作
 */
public static void init() throws Exception {
    // 将AES密钥转换为SecretKeySpec对象
    SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(AES_SECRET_KEY.getBytes(), AES_ALGORITHM);
    // 使用指定的AES加密模式和填充方式获取对应的加密器并初始化
    encryptionCipher = Cipher.getInstance(AES_TRANSFORMATION);
    encryptionCipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec);
    // 使用指定的AES加密模式和填充方式获取对应的解密器并初始化
    decryptionCipher = Cipher.getInstance(AES_TRANSFORMATION);
    decryptionCipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec, new GCMParameterSpec(128, encryptionCipher.getIV()));
}

/**
 * 加密
 */
public static String encrypt(String data) throws Exception {
    byte[] dataInBytes = data.getBytes();
    // 加密数据
    byte[] encryptedBytes = encryptionCipher.doFinal(dataInBytes);
    return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
}

/**
 * 解密
 */
public static String decrypt(String encryptedData) throws Exception {
    byte[] dataInBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
    // 解密数据
    byte[] decryptedBytes = decryptionCipher.doFinal(dataInBytes);
    return new String(decryptedBytes, StandardCharsets.UTF_8);
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    String originalString = "Java学习 + 面试指南：javaguide.cn";
    init();
    String encryptedData = encrypt(originalString);
    String decryptedData = decrypt(encryptedData);
    System.out.println("Original String: " + originalString);
    System.out.println("AES Encrypted Data : " + encryptedData);
    System.out.println("AES Decrypted Data : " + decryptedData);
}

:::

输出：

bash
Original String: Java学习 + 面试指南：javaguide.cn
AES Encrypted Data : E1qTkK91suBqToag7WCyoFP9uK5hR1nSfM6p+oBlYj71bFiIVnk5TsQRT+zpjv8stha7oyKi3jQ=
AES Decrypted Data : Java学习 + 面试指南：javaguide.cn

非对称加密 ​

非对称加密算法是指加密和解密使用不同的密钥的算法，也叫公开密钥加密算法。这两个密钥互不相同，一个称为公钥，另一个称为私钥。公钥可以公开给任何人使用，私钥则要保密。

如果用公钥加密数据，只能用对应的私钥解密（加密）；如果用私钥加密数据，只能用对应的公钥解密（签名）。这样就可以实现数据的安全传输和身份认证。

非对称加密

常见的非对称加密算法有 RSA、DSA、ECC 等。

RSA ​

RSA（Rivest–Shamir–Adleman algorithm）算法是一种基于大数分解的困难性的非对称加密算法，它需要选择两个大素数作为私钥的一部分，然后计算出它们的乘积作为公钥的一部分（寻求两个大素数比较简单，而将它们的乘积进行因式分解却极其困难）。RSA 算法原理的详细介绍，可以参考这篇文章：你真的了解 RSA 加密算法吗？ - 小傅哥。

RSA 算法的安全性依赖于大数分解的难度，目前已经有 512 位和 768 位的 RSA 公钥被成功分解，因此建议使用 2048 位或以上的密钥长度。

RSA 算法的优点是简单易用，可以用于数据加密和数字签名；缺点是运算速度慢，不适合大量数据的加密。

RSA 算法是是目前应用最广泛的非对称加密算法，像 SSL/TLS、SSH 等协议中就用到了 RSA 算法。

HTTPS 证书签名算法中带RSA 加密的SHA-256

基于 Java 实现 RSA 算法代码示例：

点击查看完整代码实现
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java
private static final String RSA_ALGORITHM = "RSA";

/**
 * 生成RSA密钥对
 */
public static KeyPair generateKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException {
    KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(RSA_ALGORITHM);
    // 密钥大小为2048位
    keyPairGenerator.initialize(2048);
    return keyPairGenerator.generateKeyPair();
}

/**
 * 使用公钥加密数据
 */
public static String encrypt(String data, PublicKey publicKey) throws Exception {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
    byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
    return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);
}

/**
 * 使用私钥解密数据
 */
public static String decrypt(String encryptedData, PrivateKey privateKey) throws Exception {
    byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
    byte[] decryptedData = cipher.doFinal(decodedData);
    return new String(decryptedData, StandardCharsets.UTF_8);
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    KeyPair keyPair = generateKeyPair();
    PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
    PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
    String originalString = "Java学习 + 面试指南：javaguide.cn";
    String encryptedData = encrypt(originalString, publicKey);
    String decryptedData = decrypt(encryptedData, privateKey);
    System.out.println("Original String: " + originalString);
    System.out.println("RSA Encrypted Data : " + encryptedData);
    System.out.println("RSA Decrypted Data : " + decryptedData);
}

:::

输出：

bash
Original String: Java学习 + 面试指南：javaguide.cn
RSA Encrypted Data : T9ey/CEPUAhZm4UJjuVNIg8RPd1fQ32S9w6+rvOKxmuMumkJY2daFfWuCn8A73Mk5bL6TigOJI0GHfKOt/W2x968qLM3pBGCcPX17n4pR43f32IIIz9iPdgF/INOqDxP5ZAtCDvTiuzcSgDHXqiBSK5TDjtj7xoGjfudYAXICa8pWitnqDgJYoo2J0F8mKzxoi8D8eLE455MEx8ZT1s7FUD/z7/H8CfShLRbO9zq/zFI06TXn123ufg+F4lDaq/5jaIxGVEUB/NFeX4N6OZCFHtAV32mw71BYUadzI9TgvkkUr1rSKmQ0icNhnRdKedJokGUh8g9QQ768KERu92Ibg==
RSA Decrypted Data : Java学习 + 面试指南：javaguide.cn

DSA ​

DSA（Digital Signature Algorithm）算法是一种基于离散对数的困难性的非对称加密算法，它需要选择一个素数 q 和一个 q 的倍数 p 作为私钥的一部分，然后计算出一个模 p 的原根 g 和一个模 q 的整数 y 作为公钥的一部分。DSA 算法的安全性依赖于离散对数的难度，目前已经有 1024 位的 DSA 公钥被成功破解，因此建议使用 2048 位或以上的密钥长度。

DSA 算法的优点是数字签名速度快，适合生成数字证书；缺点是不能用于数据加密，且签名过程需要随机数。

DSA 算法签名过程：

  1. 使用消息摘要算法对要发送的数据进行加密，生成一个信息摘要，也就是一个短的、唯一的、不可逆的数据表示。
  2. 发送方用自己的 DSA 私钥对信息摘要再进行加密，形成一个数字签名，也就是一个可以证明数据来源和完整性的数据附加。
  3. 将原始数据和数字签名一起通过互联网传送给接收方。
  4. 接收方用发送方的公钥对数字签名进行解密，得到信息摘要。同时，接收方也用消息摘要算法对收到的原始数据进行加密，得到另一个信息摘要。接收方将两个信息摘要进行比较，如果两者一致，则说明在传送过程中数据没有被篡改或损坏；否则，则说明数据已经失去了安全性和保密性。

DSA 算法签名过程

总结 ​

这篇文章介绍了三种加密算法：哈希算法、对称加密算法和非对称加密算法。

  • 哈希算法是一种用数学方法对数据生成一个固定长度的唯一标识的技术，可以用来验证数据的完整性和一致性，常见的哈希算法有 MD、SHA、MAC 等。
  • 对称加密算法是一种加密和解密使用同一个密钥的算法，可以用来保护数据的安全性和保密性，常见的对称加密算法有 DES、3DES、AES 等。
  • 非对称加密算法是一种加密和解密使用不同的密钥的算法，可以用来实现数据的安全传输和身份认证，常见的非对称加密算法有 RSA、DSA、ECC 等。

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