Java加密与安全 JavaSE

2024-07-06 约 3413 字 阅读时长7 分钟
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加密与安全

编码算法

URL 编码

URL 编码是浏览器发送数据给服务器时使用的编码，它通常附加在URL的参数部分，例如：https://www.baidu.com/s?wd=%E4%B8%AD%E6%96%87

URL 编码是为了解决许多服务器只识别 ASCII 字符，不能处理 URL 中的中文和日文而存在

URL 编码规则：

  • 如果字符是AZ，az，0~9以及-、_、.、*，则保持不变
  • 如果是其他字符，先转换为UTF-8编码，然后对每个字节以%XX表示

java 标准类库提供 URLEncoder类和URLDecoder类：

java 
1public static void urlEncoderTest() {
2    // 编码
3    String encodeStr = URLEncoder.encode("中文", StandardCharsets.UTF_8);
4    System.out.println(encodeStr);   // %E4%B8%AD%E6%96%87
5
6    String decodeStr = URLDecoder.decode("%E4%B8%AD%E6%96%87", StandardCharsets.UTF_8);
7    System.out.println(decodeStr);    // 中文
8}

Base64 编码

Base64编码是对二进制数据进行编码，表示成文本格式；Base64编码可以把任意长度的二进制数据变为纯文本，且只包含AZ、az、0~9、+、/、=这些字符。

原理：把3字节的二进制数据按6bit一组，用4个int整数表示，然后查表，把int整数用索引对应到字符，得到编码后的字符串。

如果需要被的二进制数据不是3字节的整数倍，则需要对被编码的数据末尾补一个或两个0x00，编码后的字符串末尾加一个=表示补充了1个0x00，加两个=表示补充了2个0x00，解码的时候，去掉末尾补充的一个或两个0x00即可

java 标准库提供 Base64 类：

java 
 1/**
 2 * 1. 读取文件二进制数据，然后 Base64 进行编码
 3 * 2. 将编码后的数据解码，然后重新写入文件
 4 * 3. 对比两个文件中内容一样
 5 */
 6public static void base64EncoderTest() throws FileNotFoundException {
 7
 8    // 读取文件二进制数据，然后 Base64 进行编码
 9    try (FileInputStream fis = new FileInputStream("test")){
10        byte[] bytes = fis.readAllBytes();
11
12        // 讲二进制数据编码
13        byte[] encodeByte = Base64.getEncoder().encode(bytes);
14
15        System.out.println(new String(encodeByte,StandardCharsets.UTF_8));    // MTIzMTIzMTMyMTI=
16
17    }catch (Exception ignore){}
18
19    // 将编码后的数据解码，然后重新写入文件
20    try (FileOutputStream fos=new FileOutputStream("test1")){
21        byte[] bytes = "MTIzMTIzMTMyMTI=".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
22
23        // 解码数据
24        byte[] decodeByte = Base64.getDecoder().decode(bytes);
25
26        fos.write(decodeByte);
27        fos.flush();
28
29    }catch (Exception ignore){}
30
31}

因为标准的Base64编码会出现+、/和=，所以不适合把Base64编码后的字符串放到URL中。一种针对URL的Base64编码可以在URL中使用的Base64编码，它仅仅是把+变成-，/变成_：

java 
1public static void base64UrlEncoderTest() {
2    byte[] input = new byte[] { 0x01, 0x02, 0x7f, 0x00 };
3    String b64encoded = Base64.getUrlEncoder().encodeToString(input);
4    System.out.println(b64encoded);
5
6    byte[] output = Base64.getUrlDecoder().decode(b64encoded);
7    System.out.println(Arrays.toString(output));
8}

Base64编码的目的是把二进制数据变成文本格式，这样在很多文本中就可以处理二进制数据。

Base64编码的缺点是传输效率会降低，因为它把原始数据的长度增加了1/3。

如果把Base64的64个字符编码表换成32个、48个或者58个，就可以使用Base32编码，Base48编码和Base58编码。字符越少，编码的效率就会越低。

小结

  • URL编码和Base64编码都是编码算法，它们不是加密算法
  • URL编码的目的是把任意文本数据编码为%前缀表示的文本，便于浏览器和服务器处理
  • Base64编码的目的是把任意二进制数据编码为文本，但编码后数据量会增加1/3

哈希算法

介绍

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。

哈希算法最重要的特点就是：

  • 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。

哈希算法的目的就是为了验证原始数据是否被篡改。

哈希碰撞：碰撞是一定会出现的，因为输出的字节长度是固定的，但输入的数据长度是不固定的，有无数种输入。所以，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。

常用的哈希算法

算法输出长度（位）输出长度（字节）
MD5128 bits16 bytes
SHA-1160 bits20 bytes
RipeMD-160160 bits20 bytes
SHA-256256 bits32 bytes
SHA-512512 bits64 bytes

Java标准库提供了常用的哈希算法，并且有一套统一的接口。MD5 算法：

java 
 1public static void md5Test() throws Exception {
 2    // 创建一个MessageDigest实例:
 3    MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
 4    // 反复调用update输入数据:
 5    md.update("Hello".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
 6    md.update("World".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
 7    byte[] result = md.digest(); // 16 bytes: 68e109f0f40ca72a15e05cc22786f8e6
 8
 9    // 转换成16进制输出，一个byte为8位，可用两个十六进制位标识
10    StringBuilder buf = new StringBuilder(result.length * 2);
11    for(byte b : result) { // 使用String的format方法进行转换
12        buf.append(String.format("%02x", b & 0xff));
13    }
14
15    System.out.println(buf);   // 68e109f0f40ca72a15e05cc22786f8e6
16}

哈希算法的用途

因为相同的输入永远会得到相同的输出，因此，如果输入被修改了，得到的输出就会不同。

  • 可以用来防篡改
  • 用于存储用户口令，防止明文存储

彩虹表

一张 常用口令和它们的MD5的对照表

常用口令MD5
hello123f30aa7a662c728b7407c54ae6bfd27d1
1234567825d55ad283aa400af464c76d713c07ad
passw0rdbed128365216c019988915ed3add75fb
19700101570da6d5277a646f6552b8832012f5dc
……
202012316879c0ae9117b50074ce0a0d4c843060

可以采取措施来抵御彩虹表攻击，方法是对每个口令额外添加随机数，这个方法称之为加盐（salt）：

js 
1digest = md5(salt+inputPassword)

小结

  • 哈希算法可用于验证数据完整性，具有防篡改检测的功能

  • 常用的哈希算法有MD5、SHA-1等

  • 用哈希存储口令时要考虑彩虹表攻击

对称加密算法

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

常用对称加密算法

算法密钥长度工作模式填充模式
DES56/64ECB/CBC/PCBC/CTR/…NoPadding/PKCS5Padding/…
AES128/192/256ECB/CBC/PCBC/CTR/…NoPadding/PKCS5Padding/PKCS7Padding/…
IDEA128ECBPKCS5Padding/PKCS7Padding/…

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

AES加密

ECB模式加密/解密代码

java 
 1public static void aESTestMainTestA() throws Exception {
 2    // 128位密钥 = 16 bytes Key:
 3    byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
 4
 5    // 需要加密的数据
 6    String encryptStr = "Hello, world!";
 7    // 加密
 8    Cipher cipher1 = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
 9    SecretKey keySpec1 = new SecretKeySpec(key, "AES");
10    cipher1.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec1);
11    byte[] encryptBytes = cipher1.doFinal(encryptStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
12    // 加密后二进制数据通过base64编码后输出
13    // 2xiGROlFBhC57b7EGu5c3g==
14    System.out.printf("加密后二进制数据base64输出为：%s%n", Base64.getEncoder().encodeToString(encryptBytes));
15
16    // 通过base64编码的需要解密的数据
17    String decryptStr = "2xiGROlFBhC57b7EGu5c3g==";
18    Cipher cipher2 = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
19    SecretKey keySpec2 = new SecretKeySpec(key, "AES");
20    cipher2.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec2);
21    byte[] decryptBytes = cipher2.doFinal(Base64.getDecoder().decode(decryptStr));
22    // 解密后的二进制数据输出
23    System.out.printf("解密后的二进制数据输出：%s%n",new String(decryptBytes,StandardCharsets.UTF_8));
24}

小结

  • 对称加密算法使用同一个密钥进行加密和解密，常用算法有DES、AES和IDEA等
  • 密钥长度由算法设计决定，AES的密钥长度是128/192/256位
  • 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
  • Java标准库提供的对称加密接口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 SecretKey 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

非对称加密算法

RSA

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。

非对称加密的典型算法就是RSA算法

Java标准库提供了RSA算法的实现，示例代码如下：

java 
 1public class RsaMain {
 2
 3    private String privateKeyStr;
 4    private String publicKeyStr;
 5
 6    public static void main(String[] args) throws Exception {
 7        RsaMain rsaMain = new RsaMain();
 8        // 生成密钥对
 9        rsaMain.generalKey();
10
11        // 对数据加密
12        KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
13        // 恢复公钥: 先将字符串通过 base64 解码转成原密钥字节
14        X509EncodedKeySpec pkSpec = new X509EncodedKeySpec(Base64.getDecoder().decode(rsaMain.publicKeyStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
15        PublicKey pk = kf.generatePublic(pkSpec);
16        // 恢复私钥
17        PKCS8EncodedKeySpec skSpec = new PKCS8EncodedKeySpec(Base64.getDecoder().decode(rsaMain.privateKeyStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
18        PrivateKey sk = kf.generatePrivate(skSpec);
19
20        String message="需要加密的字符串!!!";
21
22        // 公钥加密
23        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
24        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pk);
25        byte[] encryptBytes = cipher.doFinal(message.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
26        // 将加密后的二进制数据通过base64编码转成可视字符串
27        String encryptStr = new String(Base64.getEncoder().encode(encryptBytes), StandardCharsets.UTF_8);
28        System.out.printf("加密后二进制数据通过Base64编码后字符：%s%n",encryptStr);
29
30        // 私钥解密
31        Cipher cipher1 = Cipher.getInstance("RSA");
32        cipher1.init(Cipher.DECRYPT_MODE, sk);
33        // 将可视字符串通过base64解码转成二进制数据
34        byte[] decodeStr = Base64.getDecoder().decode(encryptStr.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
35        // 通过私钥解密
36        byte[] decryptBytes = cipher1.doFinal(decodeStr);
37        System.out.printf("解密后数据：%s%n",new String(decryptBytes,StandardCharsets.UTF_8));
38
39    }
40
41    /**
42     * 生成公钥／私钥对
43     */
44    public void generalKey() throws Exception {
45
46        KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
47        kpGen.initialize(1024);
48        KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();
49
50        // 获取私钥
51        byte[] privateKey = kp.getPrivate().getEncoded();
52        // 将私钥二进制数据通过 Base64编码转换为字符串
53        String privateKeyStr = new String(Base64.getEncoder().encode(privateKey), StandardCharsets.UTF_8);
54        this.privateKeyStr = privateKeyStr;
55        System.out.println("私钥：" + privateKeyStr);
56
57        // 获取公钥
58        byte[] publicKey = kp.getPublic().getEncoded();
59        // 将公钥二进制数据通过 Base64编码转换为字符串
60        String publicKeyStr = new String(Base64.getEncoder().encode(publicKey), StandardCharsets.UTF_8);
61        this.publicKeyStr = publicKeyStr;
62        System.out.println("公钥：" + publicKeyStr);
63    }
64}

RSA算法的密钥有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。

使用512bit的RSA加密时，明文长度不能超过53字节，使用1024bit的RSA加密时，明文长度不能超过117字节，因此使用RSA的时候，总是配合AES一起使用，即用AES加密任意长度的明文，用RSA加密AES口令。

小结

  • 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
  • 只使用非对称加密算法不能防止中间人攻击。
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