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Java加密与安全

• 大数据, 开源, 研发管理, 移动开发, 编程笔记

一、简介

数据安全

  • 防窃听
  • 防篡改
  • 防伪造
    古代加密方式：
  • 移位密码：HELLO => IFMMP 按照英文顺序往后移动一位
  • 替代密码：HELLO =>p12,5,3 或者是用某一本书的第几页第几行第几个字达到替换密码的目的

这些都是靠人的想象和直觉来涉及的，非常不靠谱，而现代计算机加密：

  • 建立在严格的数据理论基础上
  • 密码学逐渐发展成一门学科

总结

  • 设计一个安全的加密算法非常困难
  • 验证一个加密算法是否安全更加困难
  • 当前被认为安全的加密算法仅仅是迄今为止尚未被攻破
  • 不要 自己设计加密算法
  • 不要 自己实现加密算法
  • 不要 自己修改已有的加密算法

二、URL编码

一、什么是URL编码？
URL编码是浏览器发送数据给服务器时使用的编码。

  • key1=value1&key2=value2&key3=valuye
  • q=%E4%B8%AD%E6%96%87

什么是编码？
ascii码就是一种编码，例如

字母 编码（16进制）
A 0x41
B 0x42
C 0x43
D 0x44
… …
汉字 Unicode编码 UTF-8编码
中 0x4e2d 0xe4b8ad
文 0x6587 0xe69687
编 0x7f16 0xe7bc96
码 0x7801 0xe7a081
… … …

URL编码规则是什么？

  • A-Z,a-z,0-9以及**-_.***保持不变
  • 其他字符以%XX表示
    例如：
    1.<：%3C
    2.中：%E4%B8%AD（utf-8：0xe4b8ad）

例子

/**
 * URL编码
 */
public class SecURL {
    public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {
        String original = "URL 参数";
        String encoded = URLEncoder.encode(original,"UTF-8");
        System.out.println("编码后："+encoded);
        String ori = new String(URLDecoder.decode(encoded,"UTF-8"));
        System.out.println("解码后："+ori);
    }
}

Java加密与安全

总结

  • URL编码是编码算法，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，编码后的文本仅包含A-Z,a-z,0-9以及-_.，%*便于浏览器和服务器处理

二、Base64编码
* 什么是Base64编码？
是一种把二进制数据用文本表示的编码算法，例如：byte[]{0xe4,0xb8,0xad} ==> "5Lit"

索引 编码 索引 编码 索引 编码
0 A 26 a 52 0
1 B 27 b 53 1
2 C 28 c … …
3 D 29 d 61 9
… … … … 62 +
25 Z 51 z 63 /

目的

  • 是一种用文本（A-Z,a-z,0-9,+/=）表示二进制内容的方式
  • 适用于文本协议
  • 效率下降
    因为二进制经过base64编码它的长度会增加三分之一，如果数组的长度不是3的整数倍，末尾补0x00或0x00 0x00
    编码后加=表示补充了1个字节
    编码后加==表示补充了2个字节
    应用
  • 电子邮件协议
/**
 * Base64编码
 */
public class SecBase64 {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String original = "Hello/u00ff编码测试";
        //withoutPadding()可以去掉编码后“=”这个字节，有没有=对于解码来说没有影响
        String b64 = Base64.getEncoder().withoutPadding().encodeToString(original.getBytes("UTF-8"));
        System.out.println(b64);
        String ori = new String(Base64.getDecoder().decode(b64), "UTF-8");
        System.out.println(ori);
    }
}

Java加密与安全
由于标准的base64在url中会引起冲突，所以在url中使用base64编码会使用另外一种。
Java加密与安全
在java中，使用url的base64编码它会把“+”变为“-”，把“/"变为“_”这样在传递url参数的时候不会引起冲突

总结

  • Base64是编码算法，不是加密算法
  • Base64编码的目的是把任意二进制数据编码为文本（长度增加1/3）
  • 其他编码：Base32、Base48、Base58

三、摘要算法

一、什么是摘要算法？
摘要算法是一种能产生特殊输出格式的算法，这种算法的特点是：无论用户输入多少长度的原始数据，经过计算后输出的密文都是固定长度的，只要原数据稍有改变，输出的“摘要”便完全不同，因此，基于这种原理的算法便能对数据完整性提供较为健全的保障。
        常用的摘要算法主要有MD5和SHA1。D5的输出结果为16字节（128位），SHA1的输出结果为20字节（160位）。
摘要算法（又称哈希算法/数字指纹）
* 计算任意成都数据的摘要（固定长度）

  • 相同的输入数据始终得到相同的输出
  • 不同的输入数据尽量得到不同的输出

目的：

  • 验证原始数据是否被篡改

例如：
输入：任意长度的数据（byte[]）
输出：固定长度的数据（byte[n]）
hash("hello") = 0x5e918d2
hash("hello,java") = 0x7a9d88e8
hash("hello,bob") = 0xa0dbae2f

Java的Object.hashCode()方法就是一个摘要算法
这就是说相同的输入必须得到相同的输出，当我们重新equals()方法的时候也要同时重新hashCode()方法

什么是碰撞？
两个不同的输入得到了相同的输出
例如：
hash("abc") = 0x12345678
hash("xyz") = 0x12345678
这个时候我们就说发生了碰撞，碰撞能不能呢，碰撞是不能避免的。
输出的字节是固定的，而输入的字节是不确定的

输出n bits 范围
0000000000 0
0000000001 1
0000000010 2
… …
11111111111 62235

Hash算法的安全性？

  • 碰撞率低
  • 不能猜测输出
  • 输入任意一个bit的变化都会造成完全不同的输出
  • 很难从输出反推出输入（只能依靠暴力穷举）

常用摘要算法
Java加密与安全

彩虹表
什么是彩虹表呢？是一个预先计算好的常用的字符和md5的一个对照表。
抵御彩虹表

  • 对每个口令额外添加随机数盐值（salt）
public static void main(String[] args) throws Exception{

        String str = "MD5摘要算法测试";
        byte[] bytes = toMD5(str.getBytes("UTF-8"));
        //以16进制的方式，打印出byte数组
        System.out.println(String.format("%032x",new BigInteger(1,bytes)));
    }
    public static byte[] toMD5(byte[] input){
        MessageDigest md;
        try {
            md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        }catch (Exception e){
            throw new RuntimeException(e);
        }
        md.update(input);
        return md.digest();
    }

Java加密与安全

public static void main(String[] args) throws Exception{

        String password = "helloworld";
        String salt = "Random salt";
        byte[] bytes = toMD5((salt+password).getBytes("UTF-8"));
        //以16进制的方式，打印出byte数组
        System.out.println(String.format("%032x",new BigInteger(1,bytes)));
    }
    public static byte[] toMD5(byte[] input){
        MessageDigest md;
        try {
            md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        }catch (Exception e){
            throw new RuntimeException(e);
        }
        md.update(input);
        return md.digest();
    }

Java加密与安全

二、SHA-1

  • 也是一种哈希算法
  • 输出160bits / 20 bytes
  • 美国国家安全局开发
  • SHA-0/SHA-1/SHA-256/SHA-512

Java加密与安全
例子：同md5
Java加密与安全

public static void main(String[] args) throws Exception{

        String str = "MD5摘要算法测试";
        byte[] bytes = toMD5(str.getBytes("UTF-8"));
        //由于SHA-1输出是40个字节，所以用%040x来表示输出
        System.out.println(String.format("%040x",new BigInteger(1,bytes)));
    }
    public static byte[] toMD5(byte[] input){
        MessageDigest md;
        try {
            md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
        }catch (Exception e){
            throw new RuntimeException(e);
        }
        md.update(input);
        return md.digest();
    }

jdk并未包含RipeMD160算法，需要单独下载jar包放入jdk中

三、BouncyCastle

  • 第三方提供的一组加密/哈希算法
  • 提供JDK没有提供的算法 ，例如：RipeMD160哈希算法

如何使用第三方提供的算法？

  • 添加第三方jar至classpath
  • 注册第三方算法提供方
  • 正常使用JDK提供的接口

Java加密与安全

四、Hmac
Hmac：Hash-based Message Authentication Code

  • 基于密钥的消息认证码算法

  • 更安全的消息摘要算法
    HmacMD5可以看做带安全Salt的MD5
    Java加密与安全

    public class Hmac {

public static byte[] hmac(String hmacAlgorithm, SecretKey skey,byte[] input)throws Exception{
    Mac mac = Mac.getInstance(hmacAlgorithm);
    mac.init(skey);
    mac.update(input);
    return mac.doFinal();
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    String algorithm = "HmacSHA1";
    //String algorithm = "HmacSHA256";
    //原始数据
    String data = "hello world";
    //随机生成一个key
    KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
    SecretKey skey = keyGen.generateKey();
    //打印key
    byte[] key = skey.getEncoded();
    BigInteger bigInteger = new BigInteger(1, key);
    System.out.println("Key:"+bigInteger.toString(key.length/2));
    //用这个key计算
    byte[] result = hmac(algorithm,skey,data.getBytes("UTF-8"));
    BigInteger resultInteger = new BigInteger(1, result);
    System.out.println("Hash:"+resultInteger.toString(result.length/2));
}
}

    Java加密与安全

总结：

  • Hmac并不是重新发明的一种算法，而是把Key混入摘要的算法
  • 可以配合MD5、SHA-1等摘要算法
  • 摘要长度和原摘要算法长度相同

    四、对称加密算法

    一.什么是对称加密算法

  • 加密和解密使用同一个密钥，例如：WinRAR
    Java加密与安全

二、常用的加密算法
Java加密与安全
它们的密钥长度各不相同，密钥长度决定了加密的强度。工作模式和填充模式可以看做是加密算法的参数和格式的选择，jdk提供的算法并没有提供所有的工作模式及填充模式。
des算法因为密钥果断可以在短时间内暴力破解，已经被淘汰

原创文章，作者：Maggie-Hunter，如若转载，请注明出处：https://blog.ytso.com/186570.html

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