对称加密与非对称加密🚀

Tomtu
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什么是加密？

密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。以数学为基础，在加密和解密、攻击和防守、矛和盾的对抗过程中交替发展起来。从数学算法的角度看，它包含对称密码算法、非对称密码算法和杂凑算法。

不过在进一步了解之前，我们得了解一些基本概念。

明文：未被加密过的原始数据

密文：明文被某种加密算法加密之后会变成密文，从而确保原始数据的安全。密文也可以被解密，得到原始的明文。

密钥：密钥是一种参数，它是在明文转换为密文或将密文转换为明文的算法中输入的参数。密钥分为对称密钥与非对称密钥，分别应用在对称加密和非对称加密上

对称加密

加密和解密时使用的是同一个密钥，这种加密方法称为对称加密，也称为单密钥加密。

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加密过程如下：明文 + 加密算法 + 私钥 => 密文

解密过程如下：密文 + 解密算法 + 私钥 => 明文

优点：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。

缺点：由于对称加密的算法是公开的，所以一旦私钥被泄露，那么密文就很容易被破解，所以对称加密的缺点是密钥安全管理困难。如果一方的秘钥被泄露，那么加密信息也就不安全了。

加密类型

根据加密方式的不一样，对称加密算法又分为两种：流加密和块加密。

流加密

即每次只对明文中的单个位或单个字节进行加密操作。

优点：能够实时进行数据传输和解密

缺点：抗攻击能力比较弱。

块加密

又称为分组加密，即每次对明文中的一组数据进行加密操作。现在使用的分组加密算法典型的分组长度是64位，这个长度大到足以防止破译攻击，而又小到足以方便使用。

优点：抗攻击能力强

缺点：实时性差

算法模式是块加密法中一系列基本算法步骤的组合，块加密法常用的加密模式：电子编码簿模式(ECB)，加密块链接模式(CBC)，加密反馈模式(CFB)，输出反馈模式(OFB)，计数器模式(CTR)。

电子编码簿模式(ECB)

最简单的操作模式，将输入明文消息分为64位块，然后单独加密每个块，消息中所有块使用相同密钥加密。

ECB中共同一个密钥加密消息的所有块，如果原消息中有明文块重复，那相应的密文块也会一样。如果输入中一个明文块多次出现，则输出中相应的密文块也会多次出现，从而让攻击者找到漏洞进行破解。

为了解决ECB相同明文产生相同密文的问题，加密块链接模式（CBC）出现了。

加密块链接模式（CBC）

CBC加密模式所有明文块加密依旧使用相同密钥，但使用了反馈机制，保证了即使输入中明文块相同，也能得到不同的密文块。

一开始接受两个输入：明文1和一个随机文本块（Initialization Vector），称为初始变量

初始变量没有什么特别意义，只是为了使得每个消息唯一。

加密时第一步使用IV和明文1作异或运算，加密后得到密文1，第二步用密文1和明文2作异或运算，加密后得到密文2，后面依此类推。

由于不是所有的应用程序都能处理块，所以面向字符的应用程序也需要安全性。这时候要使用流加密法，可以使用加密反馈模式。

加密反馈模式（CFB）

加密反馈模式中，数据用更小的单元加密(可以是8位，即一个字符的长度)，这个长度小于定义的块长(通常是64位)。假设我们一次处理j位(j通常取8)。

第一步：与CBC模式一样，加密反馈模式也使用64位的初始化向量。初始化向量放在移位寄存器中，第一步产生相应的64位初始化向量密文

第二步： 加密初始化向量最左边的j位与明文前j位进行异或运算，产生密文第一部分密文C。

第三步：初始化向量的位左移j位，使移位寄存器最右边的j位为不可预测的数据，在其中填入C的内容。

第四步：重复1~3步，直到加密所有明文单元

汇总一下：

输出反馈模式（OFB）

与与CFB很相似，唯一差别是，CFB中下一阶段移位寄存器最右边的j位填的是前一阶段的密文j位，而在OFB中，I下一阶段移位寄存器最右边的j位填的是前一阶段的加密后的IV前j位。

计数器模式(CTR)

计数器模式与OFB模式非常类似。它使用序号(称为计数器)作为算法的输入。每个块加密后，要填充到寄存器中，使用下一个寄存器值。通常使用一个常数作为初始计数器的值，并且每次迭代后递增(通常是增加1)。计数器块的大小哎等于明文块的大小。

加密时，计数器加密后与明文块作XOR运算，得到密文。

对称加密算法比较(AES比较好)

DES

全称为Data Encryption Standard，即数据加密标准。

DES是一种块加密算法，按64位块长加密数据，即把64位明文作为DES的输入，产生64位密文输出。

DES使用56位密钥。实际上，最初的密钥为64位，但在DES过程开始之前放弃密钥的每个第八位，从而得到56位密钥，即放弃第8、16、24、32、40、48、56、64位。

原理：

3DES

三重DES，就是三次执行DES，分为两个大类

（1）三个密钥的三重DES

首先用密钥K1加密明文块P，然后用密钥K2加密，最后用密钥K3加密，其中K1，K2，K3各不相同

（2）两个密钥的三重DES

AES

AES 加密算法是密码学中的 高级加密标准，该加密算法采用 对称分组密码体制，密钥长度的最少支持为 128 位、 192 位、256 位，分组长度 128 位，算法应易于各种硬件和软件实现。这种加密算法是美国联邦政府采用的 区块加密标准。AES 本身就是为了取代 DES 的，AES 具有更好的 安全性、效率 和 灵活性。

非对称加密

非对称加密算法需要两个密钥来进行加密和解密，这两个密钥是公开密钥和私有密钥。

公开密钥与私有密钥是一对。

如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密。

如果用私钥对数据进行加密，只有用对应的公钥才能解密。 7ff03786c5d167fc506a6c60dc56cd9.png

模仿一下工作过程~

工作过程：

  1. 乙方生成一对密钥（公钥和私钥）并将公钥公开。
  2. 甲方使用公钥对机密信息进行加密，发送给乙方。
  3. 乙方用自己保存的另一把密钥（私钥）对加密后的信息进行解密。

在传输过程中，即使截获了传输的密文，并得到了乙的公钥，也无法破解密文，因为只有乙的私钥才能解密密文。

同样，如果乙要回复加密信息给甲，那么需要甲先公布甲的公钥给乙用于加密，甲自己保存甲的私钥用于解密。

被公钥加密过的密文只能被私钥解密，过程如下：

明文 + 加密算法 + 公钥 => 密文

密文 + 解密算法 + 私钥 => 明文

非对称加密算法比较（RSA比较好）

RSA算法

RSA 加密算法是目前最有影响力的公钥加密算法，并且被普遍认为是目前 最优秀的公钥方案 之一。RSA 是第一个能同时用于加密和数字签名的算法，它能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击，已被 ISO 推荐为公钥数据加密标准。

RSA 加密算法 基于一个十分简单的数论事实：将两个大 素数 相乘十分容易，但想要对其乘积进行 因式分解 却极其困难，因此可以将 乘积 公开作为 加密密钥。

RSA算法生成密钥对以及加解密过程：

(1) 选择两个大素数P，Q

设P = 7，Q = 17

(2) 计算N = P x Q

N = 7 x 17 = 119

(3) 选择一个公钥E，使其不是(P - 1)与(Q - 1)的因子

(P - 1) = 6 = 2 x 3

(Q - 1) = 16 = 2 x 2 x 2 x 2

因此我们选的公钥E不能有因子2和3。我们取E = 5

(4) 选择私钥D，满足：(D x E) mod (P - 1) x (Q - 1) = 1(D x 5) mod 6 x 16 = 1

(D x 5) mod 96 = 1

经计算，取D = 77

(5) 加密时，从明文PT计算密文CT：CT = mod N

假设明文为10

CT = mod 119 = 40

(6) 将密文CT发送给接收方

将40发送给接收方

(7) 解密时，从密文CT得到明文PT：PT = mod N

PT = mod 119 = 10

从上述例子可以看出，RSA算法本身很简单，关键是选择正确的密钥。

假设B要接收A的加密消息，首先生成公钥E和私钥D，私钥D自己保留，公钥E和数字N发布出去，攻击者拿到公钥E和数字N，似乎可以通过试错法计算出私钥D。这里就到了问题的关键，从上述例子可以看出，攻击者只要从N中分解出P和Q，就可以破解私钥。我们上述例子中选择的N很小，实际N是很大的，而大素数分解是极其困难的。

ECC算法

ECC 也是一种 非对称加密算法，主要优势是在某些情况下，它比其他的方法使用 更小的密钥，比如 RSA 加密算法，提供 相当的或更高等级 的安全级别。不过一个缺点是 加密和解密操作 的实现比其他机制 时间长 (相比 RSA 算法，该算法对 CPU 消耗严重)。

ECC全称为elliptic curve cryptography，即椭圆曲线密码学算法。安全性建立在以下数学困难问题基础之上：

直接看图

不需要密钥的散列算法

加密算法分对称加密和非对称加密。此外，还有一类不需要密钥 的散列算法。散列算法主要有 SHA-1、MD5等。

散列算法比较

MD5算法

MD5 用的是哈希函数，它的典型应用是对一段信息产生信息摘要，以防止被篡改。严格来说，MD5 不是一种 加密算法 而是摘要算法。无论是多长的输入，MD5都会输出长度为 128bits 的一个串 (通常用 16 进制表示为32个字符)。

public static final byte[] computeMD5(byte[] content) {
    try {
        MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
        return md5.digest(content);
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

SHA1算法

SHA1是和MD5一样流行的消息摘要算法，然而SHA1比MD5的安全性更强。对于长度小于2^64位的消息，SHA1 会产生一个 160 位的 消息摘要。基于 MD5、SHA1的信息摘要特性以及不可逆 (一般而言)，可以被应用在检查文件完整性以及数字签名场景

public static byte[] computeSHA1(byte[] content) {
    try {
        MessageDigest sha1 = MessageDigest.getInstance("SHA1");
        return sha1.digest(content);
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

HMAC算法（类似于密钥的）

MAC是密钥相关的哈希运算消息认证码（Hash-based Message Authentication Code），HMAC 运算利用 哈希算法 (MD5、SHA1 等)，以一个密钥和一个消息为输入，生成一个消息摘要作为输出。HMAC 发送方和接收方都有的key进行计算，而没有这把key的第三方，则是无法计算出正确的散列值的，这样就可以防止数据被篡改。

注意：HMAC 算法实例在多线程环境下是不安全的。但是需要在多线程访问时，进行同步的辅助类，使用 ThreadLocal 为每个线程缓存一个实例可以避免进行锁操作。

到这关于对称加密与非对称加密就告一段落了！！还麻烦大家提出意见~

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