工作中常用的五種加密算法

作者：碼易有道 2024-04-28 11:22:18

安全

加密是一種將原始信息（明文）轉(zhuǎn)換成難以被直接理解的形式（密文）的過程，其主要目的是為了保護(hù)信息的安全和隱私。

最近，項目中做了一些安全性要求的整改。而加密是使用過程中常用的手段之一。這里簡單的整理下，希望對小伙伴有幫助。

使用場景

加密是一種將原始信息（明文）轉(zhuǎn)換成難以被直接理解的形式（密文）的過程，

其主要目的是為了保護(hù)信息的安全和隱私。主要應(yīng)用于以下場景：

數(shù)據(jù)保密：防止未經(jīng)授權(quán)的個人身份信息和敏感數(shù)據(jù)。保護(hù)個人隱私、商業(yè)機(jī)密和國家機(jī)密。如：公司內(nèi)部文件、云存儲信息防截獲。
數(shù)據(jù)完整性：確保數(shù)據(jù)在傳輸或存儲過程中未被篡改。如：軟件下載、銀行轉(zhuǎn)賬等。
身份驗證：驗證通信雙方的身份，確保數(shù)據(jù)是從一個可信的來源發(fā)送的，并且在整個傳輸過程中沒有被攔截或篡改。如：用戶登錄、電子郵件認(rèn)證等。
數(shù)據(jù)訪問控制：加密可以限制對數(shù)據(jù)的訪問，只有擁有正確密鑰的用戶才能解密和訪問數(shù)據(jù)。如：企業(yè)VPN等。
網(wǎng)絡(luò)安全：在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)時，加密可以防止中間人攻擊和其他網(wǎng)絡(luò)攻擊，確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸安全。如：SSL/TLS協(xié)議等。
金融交易安全：在電子商務(wù)和在線銀行中，加密用于保護(hù)交易數(shù)據(jù)，防止信用卡欺詐和其他金融犯罪。如：在線支付（金融機(jī)構(gòu)提供的RSA簽名和證書）等。

常用加密算法

1.MD5 加密

(1) 適用場景

MD5 作為一種廣泛使用的哈希函數(shù)，主要用于以下場景：

數(shù)據(jù)完整性校驗：驗證文件傳輸過程中是否被篡改。
數(shù)字簽名：確保信息傳輸?shù)耐暾院蛠碓吹恼鎸嵭浴?/li>
密碼存儲：在數(shù)據(jù)庫中存儲用戶密碼的哈希值，而非明文。

(2) 功能特性

長度固定：無論輸入長度如何，輸出都是128位（16字節(jié)）的哈希值。
快速計算：MD5 算法計算速度快，適用于大量數(shù)據(jù)的哈希處理。
不可逆性：MD5 加密是不可逆的，因此通常只有加密過程，而沒有解密過程

(3) 原理及流程圖

MD5 算法將輸入的消息經(jīng)過填充、分段、循環(huán)處理等步驟，最終生成一個128位的哈希值。

用字符串"Hello"的加密過程說明 MD5 算法的基本處理流程：

1. 原始輸入（明文）
   |
   |（轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制）
   V
2. 二進(jìn)制數(shù)據(jù) "Hello"
   |
   |（填充到512位的倍數(shù)）
   V
3. 填充后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)
   |
   |（添加原始長度的64位表示）
   V
4. 長度附加后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)
   |
   |（分割成512位的消息塊）
   V
5. 消息塊1 ... 消息塊n
   |
   |（每塊512位，共16個32位字）
   V
6. 初始MD5值（ABCD）
   |
   |（通過主循環(huán)處理每個塊）
   V
7. 主循環(huán)（每塊16步）
   |_________|_________|
   |          |          |
   V          V          V
8. 經(jīng)過F, G, H, I函數(shù)的32位字
   |_________|_________|
   |          |          |
   V          V          V
9. 更新后的MD5值
   |
   V
10. 最終MD5散列值（128位）

(4) 代碼實現(xiàn)

使用 Java 實現(xiàn) MD5 加密的示例代碼：

import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class MD5Example {

   //用于將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制表示的字符串
    public static String toHexString(byte[] bytes) {
        StringBuilder hexString = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            String hex = Integer.toHexString(0xff & b);
            if (hex.length() == 1) {
                hexString.append('0');
            }
            hexString.append(hex);
        }
        return hexString.toString();
    }

    public static String getMD5(String input) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
            byte[] messageDigest = md.digest(input.getBytes());
            return toHexString(messageDigest);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        String password = "Hello, World!";
        //輸出結(jié)果：65a8e27d8879283831b664bd8b7f0ad4
        System.out.println("MD5 Hash: " + getMD5(password));
    }
}

(5) 注意事項

MD5 算法已經(jīng)不再被認(rèn)為是安全的，因此不推薦用于需要高安全性的加密場景。
MD5 算法的輸出可以作為數(shù)據(jù)完整性校驗，但不應(yīng)用于加密和解密操作。

2.AES 加密

(1) 適用場景

AES（高級加密標(biāo)準(zhǔn)）是一種廣泛使用的對稱加密算法，適用于以下場景：

數(shù)據(jù)傳輸安全：在網(wǎng)絡(luò)通信中加密數(shù)據(jù)，保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸過程中的隱私和完整性。
文件和數(shù)據(jù)存儲：對存儲在服務(wù)器或云端的敏感文件進(jìn)行加密。
VPN 連接：確保遠(yuǎn)程連接的安全性。

(2) 功能特性

安全性：AES 提供強(qiáng)大的安全性，是目前最推薦使用的對稱加密算法之一。
靈活性：支持128、192和256位的密鑰長度，適應(yīng)不同的安全級別需求。
效率高：AES算法效率高，適合大量數(shù)據(jù)的快速加密。

(3) 原理及流程圖

例如，使用AES加密算法加密字符串 "hello"

1. 明文 "hello"
  |
  |（轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式）
  V
2. 128位二進(jìn)制明文
  |
  |（可能需要填充）
  V
3. 填充后的128位二進(jìn)制數(shù)據(jù)
  |
  |（密鑰擴(kuò)展）
  V
4. 生成輪密鑰
  |
  |（初始輪密鑰加）
  V
5. 與輪密鑰異或后的數(shù)據(jù)塊
  |
  |（主輪加密處理）
  V
  |_________________________|
  |                         |
  |   SubBytes(字節(jié)代換)     |
  |_________________________|
  |                         |
  |    ShiftRows(行移位)     |
  |_________________________|
  |                         |
  |   MixColumns (列混淆)    |
  |_________________________|
  |                         |
  |  AddRoundKey(輪密鑰加)   |
  |_________________________|
  V                       V
6. 密文數(shù)據(jù)塊
  |
  V
7. 密文（二進(jìn)制格式）

(4) 示例代碼

對字符串 "hello" 進(jìn)行AES加密的示例：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class AESExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 實例化密鑰生成器，并初始化為AES（128位）
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
             // 初始化128位 ，可修改
            keyGenerator.init(128);
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

            // 實例化Cipher對象，用于AES加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);

            // 轉(zhuǎn)換明文字符串 "hello" 為二進(jìn)制數(shù)據(jù)
            String plainText = "hello";
            byte[] plainTextBytes = plainText.getBytes();

            // 加密得到密文
            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainTextBytes);

            // 打印加密后的密文（通常以十六進(jìn)制形式表示）
            System.out.println("Encrypted bytes: " + bytesToHex(encryptedBytes));
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字符串
    private static String bytesToHex(byte[] bytes) {
        StringBuilder hexString = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            String hex = Integer.toHexString(0xff & b);
            if (hex.length() == 1) {
                hexString.append('0');
            }
            hexString.append(hex);
        }
        return hexString.toString();
    }
}

(5) 注意事項

AES加密是對稱加密，加密和解密使用相同的密鑰。
密鑰長度的選擇需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和安全需求來確定。

3.DES加密

(1) 適用場景

DES（數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)）是一種較早的對稱加密算法，由于密鑰長度（56位有效密鑰，相對較短），其安全性相對較低，一般一些舊的系統(tǒng)中仍然使用。

主要適用場景包括：

數(shù)據(jù)傳輸：在安全性要求不是特別高的場合，DES仍可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用堋?/p>

(2) 功能特性

對稱加密：使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密。
密鑰長度：實際有效的密鑰長度為56位，另外8位用于奇偶性校驗。
效率：由于算法較老，在現(xiàn)代硬件上的相對速度較慢。
安全性：由于密鑰長度較短，DES容易受到暴力破解攻擊，因此認(rèn)為不安全的。

(3) 原理及流程圖

我們通過以下步驟使用DES加密字符串 "hello"：

1. 明文 "hello"
  |
  |（轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制并填充）
  V
2. 64位二進(jìn)制明文
  |
  |（初始置換 IP）
  V
3. 初始置換后的數(shù)據(jù)塊
  |
  |（密鑰加）
  V
4. 與密鑰異或后的數(shù)據(jù)塊
  |
  |（Feistel網(wǎng)絡(luò)處理）
  V
  |_________________________|
  |                       |
  |          密鑰加       |
  |_________________________|
  |                       |
  |          置換         |
  |_________________________|
  |                       |
  |          代換         |
  |_________________________|
  |                       |
  |          循環(huán)左移     |
  |_________________________|
  V                       V
5. Feistel網(wǎng)絡(luò)輸出
  |
  |（逆置換 IP^-1）
  V
6. 逆置換后的密文塊
  |
  V
7. 密文

(4) 示例代碼（Java）

以下是使用Java代碼對字符串 "hello" 進(jìn)行DES加密的示例：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.Base64;

public class DESExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 實例化密鑰生成器，并初始化為DES
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DES");
            keyGenerator.init(56); // DES密鑰長度為56位
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

            // 實例化Cipher對象，用于DES加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/CBC/PKCS5Padding");
            IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(new byte[8]); // 使用8位的IV
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, iv);

            // 轉(zhuǎn)換明文字符串 "hello" 為二進(jìn)制數(shù)據(jù)
            String plainText = "hello";
            byte[] plainTextBytes = plainText.getBytes("UTF-8");

            // 加密得到密文
            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainTextBytes);

            // 打印加密后的密文（通常以Base64形式表示）
            System.out.println("Encrypted text: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

(5) 注意事項

DES由于其較短的密鑰長度，已不適用于安全性要求高的場合。
在實際使用中，推薦使用AES或其他更安全的加密算法。

4.國密算法加密

(1) 適用場景

國密算法，即中國國家商用密碼算法標(biāo)準(zhǔn)，包括但不限于SM1、SM2、SM3、SM4等。主要用于：

金融服務(wù)：在金融服務(wù)行業(yè)中用于保證交易安全。
政府通信：確保政府?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/li>
企業(yè)數(shù)據(jù)保護(hù)：用于保護(hù)商業(yè)機(jī)密和客戶數(shù)據(jù)。
安全令牌：用于安全令牌的加密。

(2) 功能特性

標(biāo)準(zhǔn)性：國密算法符合中國的商用密碼標(biāo)準(zhǔn)。
安全性：可抵御多種已知攻擊方式。
多樣性：包含多種算法，如SM2用于數(shù)字簽名，SM4用于數(shù)據(jù)加密。

(3) 原理及流程圖

使用字符串 "hello" 進(jìn)行說明：

1. 明文 "hello"
  |
  |（轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式）
  V
2. 二進(jìn)制明文數(shù)據(jù)
  |
  |（配置密鑰和參數(shù)）
  V
3. 初始化加密模塊
  |
  |（設(shè)置SM4密鑰和IV）
  V
4. 使用SM4加密明文
  |
  |（多輪迭代加密處理）
  V
5. 輸出SM4密文

(4) 示例代碼（Java）

使用Java偽代碼對字符串 "hello" 進(jìn)行SM4加密的示例：

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.Security;

public class SM4Example {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 添加Bouncy Castle安全提供者
            Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());

            // 實例化密鑰生成器，并初始化為SM4
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("SM4");
            keyGenerator.init(128); // SM4密鑰長度為128位
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

            // 實例化Cipher對象，用于SM4加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("SM4/CBC/PKCS7Padding");
            IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(new byte[16]); // 16字節(jié)的IV
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, iv);

            // 轉(zhuǎn)換明文字符串 "hello" 為二進(jìn)制數(shù)據(jù)
            String plainText = "hello";
            byte[] plainTextBytes = plainText.getBytes("UTF-8");

            // 加密得到密文
            byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainTextBytes);

            // 打印加密后的密文（通常以十六進(jìn)制或Base64形式表示）
            System.out.println("Encrypted text: " + bytesToHex(encryptedBytes));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字符串
    private static String bytesToHex(byte[] bytes) {
        StringBuilder hexString = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            String hex = Integer.toHexString(0xff & b);
            if (hex.length() == 1) {
                hexString.append('0');
            }
            hexString.append(hex);
        }
        return hexString.toString();
    }
}

(5) 注意事項

密鑰管理是加密過程中的一個重要環(huán)節(jié)，密鑰應(yīng)該安全地生成、存儲和分發(fā)。
國密算法的使用需要遵守相關(guān)的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。

5. RSA 加密

(1) 適用場景

使用場景：

安全電子郵件：使用 RSA 對郵件內(nèi)容進(jìn)行加密，確保郵件傳輸過程中的安全性。
SSL/TLS：在 SSL/TLS 協(xié)議中，RSA 用于加密交換對稱密鑰，以建立安全通信。
數(shù)字簽名：RSA 用于生成數(shù)字簽名，驗證軟件或文檔的完整性和來源。
身份驗證：用于身份驗證過程，確保通信雙方的身份。

(2) 功能特性

非對稱加密：使用一對密鑰，公鑰加密，私鑰解密。
安全性：難以破解，安全性高。
密鑰長度：通常使用 1024 位、2048 位或更長的密鑰，以提高安全性。

(3) 原理及流程圖

例如，明文"hello"加密解密過程如下：

1. 明文 "hello"
  |
  |（轉(zhuǎn)換為數(shù)值 m）
  V
2. 使用公鑰 (e, n) 加密
  |___________|
  |           |
  |  m^e mod n|
  |___________|
  |
  V
3. 得到密文 c
  |
  |（使用私鑰 (d, n) 解密）
  V
  |___________|
  |           |
  |  c^d mod n|
  |___________|
  |
  V
4. 恢復(fù)明文 m
  |
  V
5. 明文 "hello"

(4) 程序?qū)崿F(xiàn)

使用Java實現(xiàn)RSA加密和解密的簡單示例：

import javax.crypto.Cipher;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;

public class RSAExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 生成密鑰對
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        keyPairGenerator.initialize(2048);
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();

        // 公鑰和私鑰
        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();

        // 明文
        String plainText = "hello";
        byte[] data = plainText.getBytes();

        // 加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
        byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data);
        System.out.println("Encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData));

        // 解密
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        byte[] decryptedData = cipher.doFinal(encryptedData);
        String decryptedText = new String(decryptedData);
        System.out.println("Decrypted: " + decryptedText);
    }
}

(5) 注意事項

密鑰長度：推薦使用2048位或更長的密鑰以確保安全性。
密鑰管理：公鑰可以公開，但私鑰必須保密，防止泄露。
性能：RSA加密和解密的速度相對較慢，不適合加密大量數(shù)據(jù)。

總結(jié)

綜上，實際使用中，常常根據(jù)自身系統(tǒng)特征選擇。比如：執(zhí)行效率、數(shù)據(jù)量、安全合規(guī)要求等，這里給出上述簡易版整理。

加密算法	名稱	有效長度	特性	是否加密解密	優(yōu)點	缺點
MD5	MD5 散列算法	128位	散列函數(shù)	不可逆	速度快，簡單	安全性低，易受碰撞攻擊
AES	AES 加密算法	128/192/256位	對稱加密	是	安全性高，效率高	無嚴(yán)重弱點
DES	DES 加密算法	56位	對稱加密	是	速度快，曾廣泛使用	密鑰短，安全性低
國密SM4	SM4 加密算法	128位	對稱加密	是	符合國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，安全性好	使用不如AES廣泛
RSA	RSA 加密算法	1024/2048位	非對稱加密	是	非對稱加密，適合數(shù)字簽名	計算量大，速度慢

責(zé)任編輯：趙寧寧來源：碼易有道

加密算法信息安全