计算机中的密码学-阿里云开发者社区

一、概述

密码学是数学和计算机科学的分支，同时其原理涉及大量信息论。密码学的发展促进了计算机科学，特别是在于电脑与网络安全所使用的技术，如访问控制与信息的机密性。信息的加密几乎在所有的信息通讯中都是很有必要的，尤其是金融类、机密类信息。所以，了解密码学和加密算法对于开发人员来说，也是很有必须的。

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摘要算法是一种单向加密算法，例如SHA、MD5等，这是一种数据完整性的加密，这种单向加密一般称为摘要，而不是真正意义上的加密。因为摘要不可逆，可以防止数据在传输过程中被篡改。可以用于用户登录时验证密码、接口请求时验证参数、文件传输时验证完整性等。

微信图片2.png

对称加密算法是一种基于密钥的加密与解密算法，例如DES、AES等，通信双方共享同一个密钥，双方在通信前商定该密钥，并妥善保管。对称加密有两种方式，一种基于固定密钥，另一种是基于随机源密钥。

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非对称加密算法中加密使用的密钥和解密使用的密钥不同，一个公开的称为公钥，一个保密的称为私钥。通信双方都有一对自己的公私钥，私钥自己保管好，公钥提供给对方，例如DSA、RSA等。非对称加密的应用场景有两种，一种是公钥加密，私钥解密，另一种是私钥加密，公钥解密。

微信图片4.png 对称加密和非对称加密

对称加密速度快、算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高，适用于加密大量数据，但通讯双方需要保护好密钥，存在密钥泄漏的安全风险，而且通讯方的密钥都不一样，所以所拥有的密钥数量巨大，密钥的管理会成为负担。

非对称加密公钥是公开的，私钥不对外公开，只需要维护自己的一组公钥和私钥，在密钥管理上更便利。非对称加密算法强度复杂，加解密算法速度没有对称加密的速度快，但这也保证了其安全性。

针对两种加密方式的优缺点，各大密码机构主张对称加密与非对称加密算法结合使用，使用对称加密算法加密内容，再使用非对称加密算法加密对称算法的密钥。

微信图片5.jpg

二、应用场景

MD5实现用户登录

在设计一个用户登录系统时，用户的密码不管是在网络传输中，还是存在数据库中，都不应该是明文。一般会选用摘要算法来对密码进行加密，在传输和存储时都是使用加密后的Hash密文。比如使用MD5对密码进行加密，在注册时将密码明文通过MD5加密，然后存储在数据库中，登录时客户端同样对密码进行加密，然后在服务端与数据库中的Hash密文对比，通过判断两个Hash密文是否一致来决定是是否登录成功。这样处理的好处是，即使数据库中的密码泄漏了，也不会知道密码明文。

微信图片6.png 只要明文相同，MD5加密后的密文就相同，于是攻击者就可以通过撞库的方式来破解出明文。加盐就是向明文中加入随机数，然后在生成MD5，这样一来即使明文相同，每次生成的MD5码也不同，如此就加大了暴力破解的难度。

要算法实现参数验签

摘要算法可以任意大的数据压缩成摘要，使得数据量变小，将数据的格式转换成固定位数的Hash码。这可以给任何一种数据创建小的数字“指纹”，这就可以用来判断数据的完整性，判断数据在传输过程中是否被篡改，从而满足安全性需要。例如，我们要设计有一定安全性要求的接口，需要对接口参数进行完整性验证，可以在请求参数中添加一个字段存放所有业务字段的摘要Hash码，这样做的话，即使在接口请求的过程中被黑客攻击修改了参数信息，也不会成功请求服务，从而破坏正常业务。微信图片7.png

Git保证完整性

Git中所有数据在存储前都计算校验和，然后以校验和来引用。这意味着不可能在Git不知情时更改任何文件内容或目录内容。这个功能建构在Git底层，是构成Git哲学不可或缺的部分。若你在传送过程中丢失信息或损坏文件，Git就能发现。Git用以计算校验和的机制叫做SHA-1散列（摘要算法），它会基于Git中文件的内容或目录结构计算出来一个Hash码。

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Git中使用这种Hash码的情况很多，实际上，Git数据库中保存的信息都是以文件内容的Hash码来索引，而不是文件名。

非对称加密实现数字签名

数字签名是一种功能类似写在纸上的普通签名，使用非对称加密领域的技术，一套数字签名算法通常包括两种运算，一个用于签名，另一个用于验证。在使用非对称加密时，通常我们使用公钥加密，用私钥解密，而在数字签名中，我们使用私钥加密（生成签名），公钥解密（验证签名）。前面说过非对称加密算法的复杂性，所以通常我们会对消息内容的Hash值签名，因为Hash值长度远远小于消息原文，使得签名（非对称加密）的效率大大提高。

微信图片8.png

公钥和私钥都可以用于加解密操作，用公钥加密的数据只能由对应的私钥解密，反之亦然。虽说两者都可用于加密，但是不同场景使用不同的密钥来加密，当私钥用于签名，公钥用于验签时，签名和加密作用不同，签名并不是为了保密，而是为了保证这个签名是由特定的某个人签名的，而不是被其它人伪造的签名，所以私钥的私有性就适合用在签名用途上。私钥签名后，只能由对应的公钥解密，公钥又是公开的（很多人可持有），所以这些人拿着公钥来解密，解密成功后就能判断出是持有私钥的人做的签名，验证了身份合法性。

公钥加密，私钥解密，才是真正的加密；私钥加密，公钥解密用于签名。

SSH协议加密分析

SSH是一种加密的网络传输协议，可在不安全的网络中为网络服务提供安全的传输环境。SSH最常见的用途是远程登录系统，通常用来传输命令行界面和远程执行命令。SSH的使用在类Unix系统（Linux系统）最为常见，不过在Windows10 1809版本也提供了Open SSH工具。在使用SSH客户端登录时，SSH提供两种级别的安全验证：

第一种级别（基于密码的安全验证），使用帐号和密码登录到远程主机，并且所有传输的数据都会被加密。但是，可能会有别的服务器在冒充真正的服务器，无法避免被“中间人”攻击。
第二种级别（基于密钥的安全验证），需要依靠密钥，也就是你必须为自己创建一对密钥，并把公有密钥放在需要访问的服务器上。客户端会向服务器发出请求，请求用你的密钥进行安全验证。服务器收到请求之后，先在你在该服务器的用户根目录下寻找你的公有密钥，然后把它和你发送过来的公有密钥进行比较。如果两个密钥一致，服务器就用公有密钥加密“质询”（challenge）并把它发送给客户端软件。从而避免被“中间人”攻击。

微信图片9.png SSH使用密钥验证时，使用了摘要算法和非对称加密算法，已许可登录的公钥保存在用户的 ~/.ssh/authorized_keys 文件中。

三、实现案例

1. SHA

安全散列算法（SHA）是一个密码散列函数家族，是FIPS所认证的安全散列算法。能计算出一个数字消息所对应到的，长度固定的字符串（又称消息摘要）的算法。且若输入的消息不同，它们对应到不同字符串的几率很高。实现代码如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance("SHA");
        sha.update("码匠公众号".getBytes());
        System.out.println(byteToString(sha.digest()));
        MessageDigest sha224 = MessageDigest.getInstance("SHA-224");
        sha224.update("码匠公众号".getBytes());
        System.out.println(byteToString(sha224.digest()));
        MessageDigest sha256 = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
        sha256.update("码匠公众号".getBytes());
        System.out.println(byteToString(sha256.digest()));
    }
    private static String byteToString(byte[] arr) {
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        for (byte b : arr) {
            res.append(String.format("%02X", b));
        }
        return res.toString();
    }
}

2. MD5

MD5消息摘要算法，一种被广泛使用的密码散列函数，可以产生出一个128位（16字节）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致，将数据（如一段文字）运算变为另一固定长度值，是散列算法的基础原理。代码实现如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance("MD5");
        sha.update("码匠公众号".getBytes());
        System.out.println(byteToString(sha.digest()));
    }
    private static String byteToString(byte[] arr) {
        ......
    }
}

MD5算法无法防止碰撞，因此不适用于安全性认证，如SSL公开密钥认证或是数字签名等用途。

3. DES

数据加密标准（DES）是一种对称密钥加密块密码算法，实现代码如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String str = "码匠公众号";
        String password = "CodeArtist";
        byte[] encrypt = encrypt(str.getBytes(), password);
        System.out.println("密文: " + byteToString(encrypt));
        byte[] decrypt = decrypt(encrypt, password);
        System.out.println("明文: " + new String(decrypt));
    }
    /**
     * 加密
     */
    public static byte[] encrypt(byte[] src, String password) {
        try {
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(password.getBytes());
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            SecretKey secureKey = keyFactory.generateSecret(desKey);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secureKey, random);
            return cipher.doFinal(src);
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    /**
     * 解密
     */
    public static byte[] decrypt(byte[] encrypt, String password) {
        try {
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(password.getBytes());
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            SecretKey secureKey = keyFactory.generateSecret(desKey);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secureKey, random);
            return cipher.doFinal(encrypt);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    private static String byteToString(byte[] arr) {
        ......
    }
}

4. AES

高级加密标准（AES）是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。实现代码如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String str = "码匠公众号";
        String password = "CodeArtist";
        byte[] encrypt = encrypt(str.getBytes(), password);
        System.out.println("密文: " + byteToString(encrypt));
        byte[] decrypt = decrypt(encrypt, password);
        System.out.println("明文: " + new String(decrypt));
    }
    /**
     * 加密
     */
    public static byte[] encrypt(byte[] src, String password) {
        try {
            KeyGenerator keygen = KeyGenerator.getInstance("AES");
            keygen.init(128, new SecureRandom(password.getBytes()));
            byte[] raw = keygen.generateKey().getEncoded();
            SecretKey key = new SecretKeySpec(raw, "AES");
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(keygen.getAlgorithm());
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
            return cipher.doFinal(src);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    /**
     * 解密
     */
    private static byte[] decrypt(byte[] encrypt, String password) {
        try {
            KeyGenerator keygen = KeyGenerator.getInstance("AES");
            keygen.init(128, new SecureRandom(password.getBytes()));
            byte[] raw = keygen.generateKey().getEncoded();
            SecretKey key = new SecretKeySpec(raw, "AES");
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(keygen.getAlgorithm());
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
            return cipher.doFinal(encrypt);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    private static String byteToString(byte[] arr) {
        ......
    }
}

5. DSA

数字签名算法（DSA）是用于数字签名的联邦信息处理标准，该算法使用由公钥和私钥组成的密钥对。私钥用于生成消息的数字签名，并且可以通过使用签名者的相应公钥来验证这种签名。数字签名提供信息鉴定（接收者可以验证消息的来源），完整性（接收方可以验证消息自签名以来未被修改）和不可否认性（发送方不能错误地声称它们没有签署消息）。实现代码如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String data = "码匠公众号";
        KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance("DSA");
        kpg.initialize(512);
        KeyPair keypair = kpg.generateKeyPair();
        DSAPublicKey publicKey = (DSAPublicKey) keypair.getPublic();
        DSAPrivateKey privateKey = (DSAPrivateKey) keypair.getPrivate();
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withDSA");
        byte[] sign = sign(signature, data.getBytes(), privateKey);
        boolean result = verify(signature, data.getBytes(), sign, publicKey);
        System.out.println(result);
    }
    /**
     * 签名
     */
    public static byte[] sign(Signature signature, byte[] data, DSAPrivateKey privateKey) {
        try {
            signature.initSign(privateKey);
            signature.update(data);
            return signature.sign();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    /**
     * 验证
     */
    public static boolean verify(Signature signature, byte[] data, byte[] sign, DSAPublicKey publicKey) {
        try {
            signature.initVerify(publicKey);
            signature.update(data);
            return signature.verify(sign);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return false;
    }
}

6. RSA

RSA加密算法是一种非对称加密算法，在公开密钥加密和电子商业中被广泛使用。对极大整数做因数分解的难度决定了RSA算法的可靠性。换言之，对一极大整数做因数分解愈困难，RSA算法愈可靠。假如有人找到一种快速因数分解的算法的话，那么用RSA加密的信息的可靠性就会极度下降。但找到这样的算法的可能性是非常小的。今天只有短的RSA钥匙才可能被强力方式破解。到当前为止，世界上还没有任何可靠的攻击RSA算法的方式。只要其钥匙的长度足够长，用RSA加密的信息实际上是不能被破解的。实现代码如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String data = "码匠公众号";
        KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        kpg.initialize(1024);
        KeyPair keypair = kpg.generateKeyPair();
        RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keypair.getPublic();
        RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keypair.getPrivate();
        byte[] encrypt = encrypt(data.getBytes(), publicKey);
        System.out.println("密文: " + byteToString(encrypt));
        byte[] decrypt = decrypt(encrypt, privateKey);
        System.out.println("明文: " + new String(decrypt));
        System.out.println();
    }
    /**
     * 加密
     */
    public static byte[] encrypt(byte[] src, RSAPublicKey publicKey) {
        try {
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PublicKey key = keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey.getEncoded()));
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
            return cipher.doFinal(src);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    /**
     * 解密
     */
    public static byte[] decrypt(byte[] encrypt, RSAPrivateKey privateKey) {
        try {
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PrivateKey key = keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey.getEncoded()));
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
            return cipher.doFinal(encrypt);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    private static String byteToString(byte[] arr) {
        ......
    }
}

四、英文缩写对照

英文缩写	英文全拼	中文
SHA	Secure Hash Algorithm	安全散列算法
MD	Message Digest	信息摘要
DES	Data Encryption Standard	数据加密标准
AES	Advanced Encryption Standard	高级加密标准
DSA	Digital Signature Algorithm	数字签名算法
RSA	-	一种非对称加密算法
SSH	Secure Shell	安全外壳协议

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