常见哈希算法的总结、对称式加密与非对称加密的对比

一、哈希算法

概述

** 哈希算法（Hash）又称摘要算法（Digest），它的作用是：对任意一组输入数据进行计算，得到一个固定长度的输出摘要。哈希算法的目的：为了验证原始数据是否被篡改。**

1、特点

** 相同的输入一定得到相同的输出；不同的输入大概率得到不同的输出。**

2、哈希碰撞

//哈希碰撞是指，两个不同的输入得到了相同的输出：

"AaAaAa".hashCode(); // 0x7460e8c0
"BBAaBB".hashCode(); // 0x7460e8c0

"通话".hashCode(); // 0x11ff03
"重地".hashCode(); // 0x11ff03

**2.1 碰撞能不能避免吗? **

** 不能。 原因：哈希算法是把一个无限的输入集合映射到一个有限的输出集合，必然会产生碰撞。**

** 2.2 如何避免碰撞呢? **

** 防止哈希碰撞的最有效方法，就是扩大哈希值的取值空间。**

3.常见的哈希算法

** 常用的哈希算法有：根据碰撞概率，哈希算法的输出长度越长，就越难产生碰撞，也就越安全。 **

   **Hash摘要加密算法是一种单向摘要加密算法，直译为哈希摘要或散列摘要。严格意义上，Hash摘要加密算法既不是编码算法，也不是加密算法，而是摘要算法。Hash摘要算法是一种非可逆算法，所以只负责加密，不负责解密，最常见的是用于数据唯一完整性的校验。**

3.1 MD5

MD5(Message Digest Algorithm)。它主要用于提供消息的完整性保护。例如电驴下载的文件的md5码验证。（MD5也是可以破解的，但这种影响很少）。

import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.Arrays;

public class Demo05 {
    public static void main(String[] args) {

        String str = "shdjsdkjskskdsa";

        try {
            //创建一个MessageDigest实例
            MessageDigest m = MessageDigest.getInstance("MD5");
            m.update(str.getBytes());
            // System.out.println(m);

            // 加密后的字节数组转换成字符串
            byte[] result = m.digest();
            System.out.println(Arrays.toString(result));//16位

            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            for (byte bite : result) {
                sb.append(String.format("%02x", bite));
            }
            System.out.println(sb);//运行str的MD5是f08dd1c3e8121db269d73f6b1308cff5
            System.out.println(sb.length());//32位str
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {

            e.printStackTrace();
        }

    }
}

** 使用MessageDigest时，我们首先根据哈希算法获取一个MessageDigest实例，然后，反复调用update(byte[])输入数据。当输入结束后，调用digest()方法获得byte[]数组表示的摘要，最后，把它转换为十六进制的字符串。**

3.2 SHA-1

** SHA-1也是一种哈希算法，它的输出是160 bits，即20字节。SHA-1是由美国国家安全局开发的，SHA算法实际上是一个系列，包括SHA-0（已废弃）、SHA-1、SHA-256、SHA-512等。**

 在Java中使用SHA-1，和MD5完全一样，只需要把算法名称改为"SHA-1"：

import java.security.MessageDigest;

public class main {
    public static void main(String[] args)  {
        // 创建一个MessageDigest实例:
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
       
        // 反复调用update输入数据:
        md.update("Hello".getBytes("UTF-8"));
        md.update("World".getBytes("UTF-8"));
        
        // 20 bytes: db8ac1c259eb89d4a131b253bacfca5f319d54f2
        byte[] results = md.digest(); 

        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for(byte bite : results) {
            sb.append(String.format("%02x", bite));
        }
        
        System.out.println(sb.toString());
    }
}

** 4、使用时需要注意什么呢**

  使用哈希存储口令时要考虑彩虹表攻击

二、对称式加密与非对称加密

对称式加密----概述

** 对称加密算法就是传统的用一个密码进行加密和解密。例如，我们常用的WinZIP和WinRAR对压缩包的加密和解密，就是使用对称加密算法。**

---

** 1.工作原理**

** 对称加密算法要求加密和解密使用同一个共享密钥。解密算法是加密算法的逆运算，加密密钥和解密密钥相同.**

** 1.1 从程序的角度看，所谓加密，就是这样一个函数，它接收密码和明文，然后输出密文：
secret = encrypt(key, message);
而解密则相反，它接收密码和密文，然后输出明文：plain = decrypt(key, secret);**

1.2****在程序开发中,常用的对称加密算法有：

   密钥长度直接决定加密强度，而工作模式和填充模式可以看成是对称加密算法的参数和格式选择。Java标准库提供的算法实现并不包括所有的工作模式和所有填充模式，但是通常我们只需要挑选常用的使用就可以了。

 最后注意，DES算法由于密钥过短，可以在短时间内被暴力破解，所以现在已经不安全了。

2.使用AES

** AES算法是目前应用最广泛的加密算法。比较常见的工作模式是ECB和CBC**

2.1 ECB模式

使用ECB模式加密并解密。

import java.security.*;
import java.util.Base64;

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message(原始信息): " + message);
        
        // 128位密钥 = 16 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes();
        
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes();
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted(加密内容): " + 
                            Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted(解密内容): " + new String(decrypted));
    }

    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 创建密码对象，需要传入算法/工作模式/填充模式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        
        // 根据key的字节内容，"恢复"秘钥对象
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        
        // 初始化秘钥:设置加密模式ENCRYPT_MODE
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
        
        // 根据原始内容(字节),进行加密
        return cipher.doFinal(input);
    }

    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 创建密码对象，需要传入算法/工作模式/填充模式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        
        // 根据key的字节内容，"恢复"秘钥对象
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        
        // 初始化秘钥:设置解密模式DECRYPT_MODE
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
        
        // 根据原始内容(字节),进行解密
        return cipher.doFinal(input);
    }
}

** Java标准库提供的对称加密接口非常简单，使用时按以下步骤编写代码：
1、根据算法名称/工作模式/填充模式获取Cipher实例；
2、根据算法名称初始化一个SecretKey实例，密钥必须是指定长度；
3、使用SerectKey初始化Cipher实例，并设置加密或解密模式；
4、传入明文或密文，获得密文或明文。**

2.2 CBC模式

** ECB模式是最简单的AES加密模式，它只需要一个固定长度的密钥，固定的明文会生成固定的密文，这种一对一的加密方式会导致安全性降低，更好的方式是通过CBC模式，它需要一个随机数作为IV参数，这样对于同一份明文，每次生成的密文都不同：**

package com.apesource.demo04;

import java.security.*;
import java.util.Base64;

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message(原始信息): " + message);
        
        // 256位密钥 = 32 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef1234567890abcdef".getBytes();
        
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes();
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted(加密内容): " + 
                Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted(解密内容): " + new String(decrypted));
    }

    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 设置算法/工作模式CBC/填充
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        
        // 恢复秘钥对象
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        
        // CBC模式需要生成一个16 bytes的initialization vector:
        SecureRandom sr = SecureRandom.getInstanceStrong();
        byte[] iv = sr.generateSeed(16); // 生成16个字节的随机数
        System.out.println(Arrays.toString(iv));
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 随机数封装成IvParameterSpec参数对象
        
        // 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        
        // 加密
        byte[] data = cipher.doFinal(input);
        
        // IV不需要保密，把IV和密文一起返回:
        return join(iv, data);
    }

    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 把input分割成IV和密文:
        byte[] iv = new byte[16];
        byte[] data = new byte[input.length - 16];
        
        System.arraycopy(input, 0, iv, 0, 16); // IV
        System.arraycopy(input, 16, data, 0, data.length); //密文
        System.out.println(Arrays.toString(iv));
        
        // 解密:
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); // 密码对象
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES"); // 恢复秘钥
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv); // 恢复IV
        
        // 初始化秘钥:操作模式、秘钥、IV参数
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        
        // 解密操作
        return cipher.doFinal(data);
    }
    
    // 合并数组
    public static byte[] join(byte[] bs1, byte[] bs2) {
        byte[] r = new byte[bs1.length + bs2.length];
        System.arraycopy(bs1, 0, r, 0, bs1.length);
        System.arraycopy(bs2, 0, r, bs1.length, bs2.length);
        return r;
    }
}

观察输出，可以发现每次生成的IV不同，密文也不同。

2.3 、注意事项：使用对称加密算法需要指定算法名称、工作模式和填充模式。

非对称加密----概述

** 从DH算法我们可以看到，公钥-私钥组成的密钥对是非常有用的加密方式，因为公钥是可以公开的，而私钥是完全保密的，由此奠定了非对称加密的基础。
定义：加密和解密使用的不是相同的密钥，只有同一个公钥-私钥对才能正常加解密。**

1.工作原理

非对称加密算法分为两个密钥，一个公开，一个保密。公开的密钥叫公钥，保密的密钥叫私钥。

注意的是： 私钥加密的数据必须用公钥解密，公钥加密的数据必须用私钥解密。

1.1 常用的非对称加密算法是RSA。

** 优点： *对称加密需要协商密钥，而非对称加密可以安全地公开各自的公钥，在N个人之间通信的时候：使用非对称加密只需要N个密钥对，每个人只管理自己的密钥对。而使用对称加密需要则需要N(N-1)/2个密钥，因此每个人需要管理N-1个密钥，密钥管理难度大，而且非常容易泄漏。

** 缺点：运算速度非常慢，比对称加密要慢很多**

1.2 Java标椎库提供了RSA算法的实现,实例代码如下：

import java.math.BigInteger;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import javax.crypto.Cipher;

// RSA
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 明文:
        byte[] plain = "Hello, encrypt use RSA".getBytes("UTF-8");

        // 创建公钥／私钥对:
        Human alice = new Human("Alice");

        // 用Alice的公钥加密:
        // 获取Alice的公钥，并输出
        byte[] pk = alice.getPublicKey();
        System.out.println(String.format("public key(公钥): %x", new BigInteger(1, pk)));

        // 使用公钥加密
        byte[] encrypted = alice.encrypt(plain);
        System.out.println(String.format("encrypted(加密): %x", new BigInteger(1, encrypted)));

        // 用Alice的私钥解密:
        // 获取Alice的私钥，并输出
        byte[] sk = alice.getPrivateKey();
        System.out.println(String.format("private key(私钥): %x", new BigInteger(1, sk)));

        // 使用私钥解密
        byte[] decrypted = alice.decrypt(encrypted);
        System.out.println("decrypted(解密): " + new String(decrypted, "UTF-8"));
    }
}

// 用户类
class Human {
    // 姓名
    String name;

    // 私钥:
    PrivateKey sk;

    // 公钥:
    PublicKey pk;

    // 构造方法
    public Human(String name) throws GeneralSecurityException {
        // 初始化姓名
        this.name = name;

        // 生成公钥／私钥对:
        KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        kpGen.initialize(1024);
        KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();

        this.sk = kp.getPrivate();
        this.pk = kp.getPublic();
    }

    // 把私钥导出为字节
    public byte[] getPrivateKey() {
        return this.sk.getEncoded();
    }

    // 把公钥导出为字节
    public byte[] getPublicKey() {
        return this.pk.getEncoded();
    }

    // 用公钥加密:
    public byte[] encrypt(byte[] message) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, this.pk); // 使用公钥进行初始化
        return cipher.doFinal(message);
    }

    // 用私钥解密:
    public byte[] decrypt(byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, this.sk); // 使用私钥进行初始化
        return cipher.doFinal(input);
    }
}

 以RSA算法为例，它的密钥有256/512/1024/2048/4096等不同的长度。长度越长，密码强度越大，当然计算速度也越慢。

1.3 注意事项

非对称加密就是加密和解密使用的不是相同的密钥，只有**同一个公钥-私钥对**才能正常加解密