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文章目录

MD5 算法

# 特点

# MD5 用途

# 安全性

# 简单 JAVA 示例

# 为 MD5 添加 salt 示例

SHA 算法

# JAVA 示例

概念：对称加密算法

DES 算法

DES 算法（理论部分）

# 密码学基础

## Feistel结构

# DES 算法基础

# 一般结构图

## 初始置换IP（initial permulation）和终止置换IP（final permulation）

## 扩展置换

## S盒压缩处理

AES 算法

# 与 DES 的异同

# 加密流程（简述）

# 现实应用

RSA 算法

1 生成公钥（generate public key ）

2 生成私钥（generate private key）

3 用公钥加密数据（encrypt data with public key）

4 私钥解密数据（decrypt data with private key）

5 流程梳理

# 性能分析：RSA和AES对比

MD5 算法

参考：Java 安全加密算法 - MD5，SHA256，SHA512，PBKDF2，BCrypt，SCrypt

消息摘要算法（Message-Digest Algorithm 5 ，MD5）是一种 密码散列函数
返回一个128 bit（16 bytes）的 散列值

消息（message）：要编码的密码就称为消息。

摘要（digest）：生成的散列值称为消息摘要。

openssl 示例

它非常简单直接的基本思想是：
将 可变长度 的 数据集 映射到数据集的 固定长度 的。

# 特点

数字指纹：输入任意长度的信息，经过处理，输出为128位的信息
唯一性：不同的输入得到的不同的结果
不可逆：无法通过密文得到明文
不抗冲突：这意味着不同的密码最终会导致相同的哈希

# MD5 用途

防止被篡改：
用一个文档生成一个MD5结果，之后如果文档被修改，再次生成的MD5结果必然与之前的不同。
如：Git、SVN等版本控制器
密码的存储：
由于不可逆性，不法分子拿到数据库中的MD5加密有的用户密码，不法分子也无法解析得到密码明文。
相反，通过唯一性，用户输入明文，服务器将明文进行MD5加密，然后跟数据库中的密文对比，能判断用户输入的明文是否正确。
防止抵赖（数字签名）
跟防止篡改一个道理。
第三方机构，通过记录文档的 MD5 加密后数据 和 作者（或一些别的东西），形成映射关系。
当要追究文档责任时，能溯源找回 作者 （或一些别额东西）

# 安全性

当加密内容过于简单或者有规律可循时，可以破解。（如生日，纯数字，身份证、电话号码等）
如：
- 字典攻击：https://www.cmd5.com/default.aspx，这个网站就是通过存储一些常见加密结果和原文的映射，来进行密码破解的。
  （彩虹表：https://blog.csdn.net/davidhuang2017/article/details/80285366）
当加密内容复杂时，（内容范围包含数字、字母大小写和其他字符，并且超过一定长度，如7时）普遍认为是安全的。

# 简单 JAVA 示例

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

public class Enctypt {
    public static void main(String[] args) {
        // 密码
        final String password = "123456";
        // openssl算出来的 123456 的 MD5 加密结果
        String passwordGenerated = "e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e";
        System.out.println(passwordGenerated.equals(Enctypt.MD5(password)));
    }

    public static String MD5(String message) {
        String result = null;
        try {
            // Create MessageDigest instance for MD5
            MessageDigest encoder = MessageDigest.getInstance("MD5");
            // Add password bytes to digest
            byte[] digest = encoder.digest(message.getBytes());
            // This bytes[] has bytes in decimal format;
            // Convert it to hexadecimal format
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            for (byte b : digest) {
                sb.append(Integer.toString((b & 0xff) + 0x100, 16).substring(1));
            }
            //Get complete hashed password in hex format
            result = sb.toString();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return result;
    }
}

# 为 MD5 添加 salt 示例

考虑在安全性中添加一些盐（salt）

维基百科将 salt 定义为随机数据，用作哈希密码或密码短语的单向函数的附加输入。
更简单的说，salt是一些随机生成的文本，在获取哈希值之前会附加到密码中。

salting 的最初意图主要是打败预先计算的彩虹表攻击，否则可以用来大大提高破解密码数据库的效率。现在更大的好处是减慢并行操作，将一次密码猜测的哈希值与多个密码哈希值进行比较。

生成 salt
只要是随机数即可：

UUID
SHA1PRNG

Java 示例

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

public class Enctypt {
    public static void main(String[] args) {
        // 密码
        final String password = "123456";
        // openssl算出来的 123456 的 MD5 加密结果(无salt)
        final String passwordGenerated = "e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e";
        System.out.println("no salt:" + Enctypt.MD5(password));
        // 利用 UUID 生成 salt
        String salt = UUID.randomUUID().toString();
        System.out.println("salt:" + salt);
        System.out.println("add salt:" + Enctypt.MD5(password, salt));
    }

    public static String MD5(String message) {
        return MD5(message, null);
    }

    public static String MD5(String message, String salt) {
        String result = null;
        try {
            // Create MessageDigest instance for MD5
            MessageDigest encoder = MessageDigest.getInstance("MD5");
            // Add salt bytes to digest
            if (salt != null && !"".equals(salt)) {
                encoder.update(salt.getBytes());
            }
            // Add password bytes to digest
            byte[] digest = encoder.digest(message.getBytes());
            result = parseToString(digest);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return result;
    }

    private static String parseToString(byte[] digest) {
        // This bytes[] has bytes in decimal format;
        // Convert it to hexadecimal format
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (byte b : digest) {
            sb.append(Integer.toString((b & 0xff) + 0x100, 16).substring(1));
        }
        //Get complete hashed password in hex format
        return sb.toString();
    }
}

注意：如果加了 salt，必须把 salt 和密文存储在一起。否则，明文无法再次生成相同的密文

SHA 算法

安全散列算法（Secure Hash Algorithm，SHA）是加密散列函数族。

相同：

与MD5一样，两者均由MD4导出，SHA-1和MD5彼此很相似。
相应的，他们的强度和其他特性也是相似：
结果唯一、不抗冲突不可逆

不同：
有以下几点不同：

对强行攻击的安全性：最显著和最重要的区别是SHA-1摘要比MD5摘要长32 位。使用强行技术，产生任何一个报文使其摘要等于给定报摘要的难度对MD5是 2^128 数量级的操作，而对SHA-1则是2^160数量级的操作。这样，SHA-1对强行攻击有更大的强度。

速度：在相同的硬件上，SHA-1的运行速度比MD5慢。

Java有4种SHA算法实现。与MD5（128位散列）相比，它们生成以下长度哈希值：

SHA-1（160位哈希 - 最简单的一个）
SHA-256（256位散列 - 强于SHA-1）
SHA-384（384位哈希 - 强于SHA-256）
SHA-512（512位散列 - 强于SHA-384）

更长的哈希更难以打破。这是核心理念。

openssl示例

# JAVA 示例

将上面代码的获取实例部分修改即可：

MessageDigest.getInstance("SHA-1");
MessageDigest.getInstance("SHA-256");
... 384
... 512

概念：对称加密算法

参考：常见对称加密算法

看到这里，你应该要知道 对称加密算法 的概念。

在 对称加密算法 中：

数据发信方将 明文（原始数据） 和加密 密钥（mi yue） 一起经过特殊加密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去。
收信方收到密文后，若想解读原文，则需要使用 加密用过的密钥 及 相同算法的逆算法 对密文进行解密，才能使其恢复成可读明文。

在对称加密算法中，使用的密钥只有一个，发收信双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密，这就要求解密方事先必须知道加密密钥。

特点

有三样东西：明文、密钥、加密&解密算法
密钥只有一个（发收双方持有相同密钥）
解密方需要事先知道 解密算法

优缺点

优点：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。
缺点：
1、使用同样钥匙，安全性得不到保证。
2、密钥管理困难（随通信次数，钥匙数量呈几何倍数增长，分布式情况尤为严重！）

五种对称加密算法

DES：已破解，不再安全，基本没有企业在用了
但是对称加密算法的基石，具有学习价值，马上讲

DESede（三重DES）

AES：最常用的对称加密算法
下面下面第二个讲

IDEA：常用的电子邮件加密算法

PBE：综合了消息摘要算法和对称加密算法，最常见的是 PBEWithMD5AndDES

DES 算法

参考：视频【⭐️⭐️⭐️】 - DES加密算法-《信息安全技术》课程微课设计

数据加密算法（Data Encryption Standard，DES），它是IBM公司于1975年研究成功并公开发表的。

DES详解（Java实现）

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DES 算法（理论部分）

因为这是对称加密的典型案例，所以必要介绍一些理论知识。

# 密码学基础

从本质上来说，DES的安全性依赖于虚假表象，从密码学的术语来讲就是依赖于“混乱和扩散”的原则。

混乱：目的是为隐藏任何明文同密文、或者密钥之间的关系

扩散：目的是使明文中的有效位和密钥一起组成尽可能多的密文。

两者结合到一起就使得安全性变得相对较高。

## Feistel结构

DES详解

# DES 算法基础

分组：DES是一种分组加密算法，该算法每次处理固定长度的数据段，称之为分组。
填充：DES分组的大小是64位，如果加密的数据长度不是64位的倍数，可以按照某种具体的规则来填充位。
置换：对每个分组

# 一般结构图

其中，

扩展置换（P盒置换）的作用是 扩散（Diffusion） 。使明文和密钥产生更多的密文
S盒压缩（Substitution-box ）的作用是 混乱 。隐藏明文和密文的关系

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## 初始置换IP（initial permulation）和终止置换IP（final permulation）

初始置换IP（Initial Permutation）的作用在于将64位数据打乱重排，并分成左右两半，供后面的迭代使用。

置换，即对照置换表，一位一位的对数据分组进行置换
初始置换的结果（下图）
终止置换
终止置换的置换表和初始置换表示互逆的。

即，通过初始置换和终止置换，各分组的排序不变

## 扩展置换

经过初始置换的64位数据被分为左右32位数据（下图）
其中一边的32位数据进行扩展置换得到48位数据
具体填充过程如下
（其实，就是等分成8块，各自的首尾位置进行了添位操作）

## S盒压缩处理

上面进行了扩展，这里进行压缩

在经过扩展的48位明文和48密钥进行异或运算后，就会使用8个S盒压缩处理，得到32位数据
在这里插入图片描述
和扩展过程一样，等分成八份（每份6位），每份压缩为4位

以一份为例，演示压缩过程
在这里插入图片描述

AES 算法

参考：AES 加密算法的原理详解
 AES详解（Java实现）

高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)为最常见的对称加密算法标准
Rijndael是该标准下的具体算法
(微信小程序加密传输就是用这个加密算法的)

# 与 DES 的异同

名字上看
Advanced Encryption Standard 和 Data Encryption Standard 就差第一个单词，就知道他们关系不简单。
可以理解：AES就是DES的升级版。
相同点：
- 均是分块加密（也均是对称加密）
- 均需要扩展密钥
- 均需要特定的表对明文进行转换
历史上看
DES早被破解了（不能对抗差分和线性密码分析），是不安全的。于是出了个三重DES。
三重DES保证了安全性，但效率低。
于是，才出现了RSA，既保证安全性、又保证了效率
分组长度
DES分组比较短。
AES标准支持可变分组长度，分组长度可设定为32比特的任意倍数，最小值为128比特，最大值为256比特。

另外，RSA很好的抵抗差分密码分析及线性密码分析的能力。

# 加密流程（简述）

加密解密结构（下图）
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加密函数（单次加密）的结构（下图）

# 现实应用

实际中，一般是

通过RSA（下面介绍）加密 AES的密钥 ，传输到接收方
接收方解密得到 AES密钥 ，然后发送方和接收方用 AES密钥 来通信。

RSA 算法

参考：李永乐老师11分钟讲RSA加密算法

RSA（ Rivest - Shamir - Adleman ），名字来源算法的三位研发者（美国麻省理工学院三位学者 Ron Rivest 、 Adi Shamir 及 Leonard Adleman ）（左）。

另外，后来资料表明，右边三位大神，最早提出这种算法，但由于工作保密的原因，无法公布。

在这里插入图片描述

这个算法的核心，是基于大素数的数学难题。

记住两点：

公钥：是大家都能知道的（包括不法分子），用于加密方借助公钥对数据加密
（非对称加密的核心就是：加密用的是公钥，而不再是私钥）

私钥：让不法分子知道了，数据就泄漏了，因为能用于对数据的解密

1 生成公钥（generate public key ）

公钥是在一定约束内，随便取的
公钥 由两部分组成： n 和 e

得到 公钥 n
我们选择两个素数（prime） P 和 Q
通过 PxQ 我们得到 公钥 n
得到 公钥 e
e 必须是个整数，不能整除 公钥 n ，同时在一个范围内（ $1<e<\varphi (n)$ ）
这个 $\varphi (n)$ “phi of n” 我们下面讲
“phi of n” 的计算公式： $\varphi (n)= (p-1)(Q-1)$
是不是和 n 很像？