Java加密与安全
一、简介
数据安全
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- 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);
}
}
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);
}
}
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。
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
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();
}
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();
}
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
例子：同md5
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
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
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)); } }
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
二、常用的加密算法
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
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