不灭的焱

革命尚未成功,同志仍须努力

作者:php-note.com  发布于:2018-05-28 12:30  分类:编程基础/Web安全 

为了防止我们的数据泄露,我们往往会对数据进行加密,特别是敏感数据,我们要求的安全性更高。下面将介绍几种常用的加密算法使用。这些算法的加密对象都是基于二进制数据,如果要加密字符串就使用统一编码(如:utf8)进行编码后加密。

1、摘要算法(MD5,SHA1)(不可解密)

常用的摘要算法有MD5,SHA1。摘要算法是一个不可逆过程,就是无论多大数据,经过算法运算后都是生成固定长度的数据,一般结果使用16进制进行显示。

MD5和SHA1的区别:MD5结果是128位摘要,SHa1是160位摘要(可以设置一个额外的加密key)。那么MD5的速度更快,而SHA1的安全强度更高。

下面统一使用MD5算法进行说明,SHA1类似。

主要用途有:验证消息完整性,安全访问认证,数据签名。

  • 消息完整性:由于每一份数据生成的MD5值不一样,因此发送数据时可以将数据和其MD5值一起发送,然后就可以用MD5验证数据是否丢失、修改。
  • 安全访问认证:这是使用了算法的不可逆性质,(就是无法从MD5值中恢复原数据)对账号登陆的密码进行MD5运算然后保存,这样可以保证除了用户之外,即使数据库管理人员都无法得知用户的密码。
  • 数字签名:这是结合非对称加密算法和CA证书的一种使用场景。

一般破解方法:字典法,就是将常用密码生成MD5值字典,然后反向查找达到破解目的,因此建议使用强密码。

MD5的使用—对文件进行摘要。

// 对文件进行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进制编码进行输出
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

//对文件进行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;
}

可以发现我们的关键代码就是

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时不同罢了。MessageDigest.getInstance("SHA-1")
另外还可以使用

DigestUtils.sha1(data);
DigestUtils.md5Hex(data);

上面实现使用的是Apache下面的一个加解密开发包commons-codec

官方地址为:http://commons.apache.org/codec/

官方下载地址:http://commons.apache.org/codec/download_codec.cgi

2、对称加密算法(DES,AES)(可解密)

对称加密算法只是为了区分非对称加密算法。其中鲜明的特点是对称加密是加密解密使用相同的密钥,而非对称加密加密和解密时使用的密钥不一样。对于大部分情况我们都使用对称加密,而对称加密的密钥交换时使用非对称加密,这有效保护密钥的安全。非对称加密加密和解密密钥不同,那么它的安全性是无疑最高的,但是它加密解密的速度很慢,不适合对大数据加密。而对称加密加密速度快,因此混合使用最好。
常用的对称加密算法有:AES和DES.

  • DES:比较老的算法,一共有三个参数入口(原文,密钥,加密模式)。而3DES只是DES的一种模式,是以DES为基础更安全的变形,对数据进行了三次加密,也是被指定为AES的过渡算法。
  • AES:高级加密标准,新一代标准,加密速度更快,安全性更高(不用说优先选择)

DES的使用

和AES类似,指定为DES就行。3DES指定为”DESede”,DES密钥长度是56位,3DES加长了密钥长度,可以为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标准和AES一样。

/**
 * 使用DES对字符串加密
 * @param str utf8编码的字符串
 * @param key 密钥(56位,7字节)
 * @return 加密结果
 * @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对数据解密
 * @param bytes utf8编码的二进制数据
 * @param key 密钥(16字节)
 * @return 解密结果
 * @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"); 
} 

AES的使用

AES密钥长度可以选择128位【16字节】,192位【24字节】和256位【32字节】密钥(其他不行,因此别乱设密码哦)。

 /**使用AES对字符串加密
 * @param str utf8编码的字符串
 * @param key 密钥(16字节)
 * @return 加密结果
 * @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对数据解密
 * @param bytes utf8编码的二进制数据
 * @param key 密钥(16字节)
 * @return 解密结果
 * @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"); 
} 	   

上面代码是对字符串进行的加解密。但要注意的是AES算法的所有参数都是字节码的(包括密钥)。因此字符串字符需要转换成字节码后进行加密str.getBytes("utf-8")按照字符串的编码进行转换。另外参数:”AES/ECB/PKCS5Padding”在加密和解密时必须相同,可以直接写”AES”,这样就是使用默认模式。分别的意思为:AES是加密算法,ECB是工作模式,PKCS5Padding是填充方式。

AES是分组加密算法,也称块加密。每一组16字节。这样明文就会分成多块。当有一块不足16字节时就会进行填充。

一共有四种工作模式:

  • ECB 电子密码本模式:相同的明文块产生相同的密文块,容易并行运算,但也可能对明文进行攻击。
  • CBC 加密分组链接模式:一块明文加密后和上一块密文进行链接,不利于并行,但安全性比ECB好,是SSL,IPSec的标准。
  • CFB 加密反馈模式:将上一次密文与密钥运算,再加密。隐藏明文模式,不利于并行,误差传递。
  • OFB 输出反馈模式:将上一次处理过的密钥与密钥运算,再加密。隐藏明文模式,不利于并行,有可能明文攻击,误差传递。

PKCS5Padding的填充方式是差多少字节就填数字多少;刚好每一不足16字节时,那么就会加一组填充为16.还有其他填充模式【Nopadding,ISO10126Padding】(不影响算法,加密解密时一致就行)。

3、非对称加密(RSA)(可解密)

这里主要对RSA进行介绍。

对称加密加密解密使用的是相同的密钥,而非对称加密加密解密时使用的不同的密钥,分为公钥(public key)和私钥(private key).公钥可以公开,而私钥自己保存。它利用的是两个大质数相乘十分容易,而对其乘积进行因素分解十分困难。这样就可以将乘积作为密钥了,这个乘积为N值,根据两个大质数选择e和生成d,删掉两个大质数。这样(N,e)为公钥,(N,d)为私钥,公钥无法破解出私钥(不作详细介绍,我们不是研究算法的)。由于非对称加密的密钥生成麻烦,所以无法做到一次一密,而且其加密速度很慢,无法对大量数据加密。因此最常用的使用场景就是数字签名和密码传输,用作数字签名时使用私钥加密,公钥解密;用作加密解密时,使用公钥加密,私钥解密。

需要注意的是RSA加密是有长度限制的,1024位密钥可以加密128字节(1024位),不满128字节的使用随机数填充,但是RSA实现中必须要加随机数(11字节以上),所以明文长度最大为117字节,然后剩下的加入随机数。这也产生了每次加密结果每一次都不一样的特点。

如果明文长度超过限制怎么办?

  • 1.可以与对称加密混合使用,一次一密产生对称加密的密钥,然后使用此密钥进行数据对称加密,再使用RSA私钥对对称密钥加密,一起保存。解密时使用公钥解密出密钥,然后进行数据解密。
  • 2.可以分段加密。将明文按117字节分成多段,加密后再拼接起来。由于每一段密文长度都是128字节,所以解密时按照128字节分段解密。

Java的RSA密钥生成与使用

简单使用

下面是Java中的使用方法,先是生成密钥对,然后加密,再解密。需要注意的是这个方法是不能跨语言使用的,因为里面对公钥和私钥用到的序列化是java的序列化。

由于加密后的密文都是字节码形式的,我们要以字符串方式保存或传输的话,可以使用Base64编码。

public class RSAUtil {
    /** 指定加密算法为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,一般为1024,越大安全性越高 */
    private static int KEYSIZE = 1024;
    /** 指定公钥存放文件 */
    private static String PUBLIC_KEY_FILE = "PublicKey";
    /** 指定私钥存放文件 */
    private static String PRIVATE_KEY_FILE = "PrivateKey";

    /**
     * 生成密钥对
     */
    private static void generateKeyPair() throws Exception {
        /** RSA算法要求有一个可信任的随机数源 */
        SecureRandom sr = new SecureRandom();
        /** 为RSA算法创建一个KeyPairGenerator对象 */
        KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
        /** 利用上面的随机数据源初始化这个KeyPairGenerator对象 */
        kpg.initialize(KEYSIZE, sr);
        /** 生成密匙对 */
        KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();
        /** 得到公钥 */
        Key publicKey = kp.getPublic();
        /** 得到私钥 */
        Key privateKey = kp.getPrivate();
        /** 用对象流将生成的密钥写入文件 */
        ObjectOutputStream oos1 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(
                PUBLIC_KEY_FILE));
        ObjectOutputStream oos2 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(
                PRIVATE_KEY_FILE));
        oos1.writeObject(publicKey);
        oos2.writeObject(privateKey);
        /** 清空缓存,关闭文件输出流 */
        oos1.close();
        oos2.close();
    }

    /**
     * 加密方法 source: 源数据
     */
    public static byte[] encrypt(String source) throws Exception {

        /** 将文件中的公钥对象读出 */
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
                PUBLIC_KEY_FILE));
        Key key = (Key) ois.readObject();
        ois.close();
        /** 得到Cipher对象来实现对源数据的RSA加密 */
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM_MODEL);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
        byte[] b = source.getBytes();
        /** 执行加密操作 */
        byte[] b1 = cipher.doFinal(b);
        return b1;
    }

    /**
     * 解密算法 cryptograph:密文
     */
    public static String decrypt(byte[] cryptograph) throws Exception {
        /** 将文件中的私钥对象读出 */
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
                PRIVATE_KEY_FILE));
        Key key = (Key) ois.readObject();
        /** 得到Cipher对象对已用公钥加密的数据进行RSA解密 */
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM_MODEL);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        /** 执行解密操作 */
        byte[] b = cipher.doFinal(cryptograph);
        return new String(b);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        generateKeyPair();//生成密钥对
        String source = "Hello World!";// 要加密的字符串
        byte[] cryptograph = encrypt(source);// 生成的密文

        //可以将密文进行base64编码进行传输
        System.out.println(new String(Base64.encode(cryptograph)));

        String target = decrypt(cryptograph);// 解密密文
        System.out.println(target);
    }
}

RSA密钥使用Base64编码

要灵活使用肯定不能使用java的序列化保存了,我们对上面的generateKeyPair()方法进行改写。通过密钥生成器生成公钥,私钥后,调用publicKey.getEncoded()和privateKey.getEncoded(),此时它生成的比特编码是有独特格式的(公钥是X.509,私钥是PKCS#8)可以使用publicKey.getFormat(),privateKey.getFormat();进行查看。之后对字节码进行Base64编码就行了。

密钥生成方法

//以base64编码密钥
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;
}

恢复密钥方法,使用各自不同的编码形式恢复

//从base64编码的公钥恢复公钥
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);
}

//从base64编码的私钥恢复私钥
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);
}

加密解密方法都类似下面,PrivateKey和PublicKey是Key的子接口。

 /** 执行加密操作 */
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;
}

/** 执行加密操作 */
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;
}

记录RSA的密钥特征值并进行密码恢复

所谓特征值就是RSA中公钥(N,e)私钥(N,d)的三个值:N,e,d。只要有这三个值我们就可以恢复密钥了。这是实际开发中常用的方法。首先是提取特征值,我们需要将PublicKey强制转换为RSAPublicKey.然后获取,看代码。

//提取特征值保存,以base64编码密钥
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;
	//三个特征值都是BigInteger类型。
	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>();
	//将BigInteger转为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;
}

利用三个特征值就可以非常容易恢复密钥了。

//从base64编码的特征值(N,e)恢复公钥
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;
}

//从base64编码的特征值(N,d)恢复私钥
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;
}

4、编码的使用

常见的编码有Base64,HEX和对URL的编码。这都是为了实际需要才进行的编码。HEX是编码成16进制字符,MD5一般就是以HEX进行编码,这不说了。

Base64

Base64一开始是为了解决邮件中不能传文件和图片问题而使用的,将无法阅读的二进制码转化成字符形式,字符为(A-Za-z0-9+/)。它的原理是将3个8位字节(24位)转化为4个6位字节(24位),之后在6位的前面补两个0,形成8位一个字节形式,如果剩下的不足3字节,则用0填充,输出字符使用”=”,所以编码后文本可能出现1个或2个’=’.这样就将原本3个字节变成了4个字节,那就是64种编码了。当然,除了对二进制数据编码,还可以对字符串编码来隐藏明文,让别人不那么容易看懂。

由于jdk中的base64是不开发使用了 ,所有需要下载到网上下载Base64包,我使用的是 javaBase64-1.2.jar,另外android sdk中是带有base64的,位置是android.util.Base64

/*这里使用的是android.util.base64*/
byte[] input = "hello world".getBytes("utf8");
//编码    
byte[] encodeData = Base64.encode(input , 0);
//解码        
byte[] result = Base64.decode(encodeData , 0);

URL的编码

url一般使用的都是英文、数字和某些符号,而对于特殊符号,中文等这些是不允许使用的。因此我们要在url请求中加入特殊符号,中文等就需要对它们进行编码。http请求时,url部分是必须编码的,get的请求字段可以不进行url编码。比如

http://www.baidu.com/中文?wd=国际

“中文”必须进行url编码,“国际”可以不用。

那url编码到底是怎么进行编码的呢?

都是在16进制前面加上‘%’表示。对于一些字符使用的是“%xx”,而对于中文,就是多个“%xx%xx%xx”,xx的数字有编码的16进制决定(没有指定字符编码(utf8),则使用默认编码),然后每一字节前面加”%”。

Android 中提供的URL编码解码方法。

String d = URLEncoder.encode('中文',"utf8");
String f = URLDecoder.decode("%20");

RSA参考文章:

【1】 RSA算法使用介绍

【2】使用X.509数字证书加密解密实务(二)– 证书的获得和管理

 

 

AES加密/解密库:

https://github.com/RNCryptor/RNCryptor

(1) 开源免费,广泛被业界采用;

(2) 安全性高,加解密速度非常快,也适合性能偏低的单片机;

(3) 支持常见开发语言,如 C, C++, C#, Erlang, Go, Haskell, Java, PHP, Python, Javascript, and Ruby

 

参考:

https://blog.csdn.net/u013565368/article/details/53081195