日常代码中加解密技术的使用

前言

日常使用的加密的时机，包括后端存储密码信息，API接口的认证鉴权，前后端敏感数据加密传输等等，为了保证信息的不被泄漏，也为了验证信息的准确性

base64编解码

用于将二进制数据转换为可打印的 ASCII 字符串

作用场景：用于请求数据传输中，文件嵌入HTML/CSS，加密密钥传输等

第一种：当我们使用hutool编码实现，支持对inputStream，字符数组，文件等加密

less 复制代码

// 编码
Base64.encode("123".getBytes());
// 解码
Base64.decodeStr(encode);

第二种：当我们使用java原生编码实现

ini 复制代码

// 编码为 Base64
String encodedString = Base64.getEncoder().encodeToString("123".getBytes());

// 解码为原始字符串
byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(encodedString);
String decodedString = new String(decodedBytes);

注意： Base64只是编码方式，不是加密方式，不能代替加密算法，而且编码会增加33%的数据大小

对称加密

双方使用同一个密钥来进行加解密，加密速度快，但是问题就是密钥泄漏容易导致数据不安全。

目前市面上常用的加密算法：AES 比较推荐

AES实现

AES的工作模式包含： ECB（不太安全），CBC（推荐，需要提供IV），GCM（更安全，不需要填充方式）
AES的填充方式：常用的有PKCS5Padding 或 PKCS7Padding
AES的密钥长度可以为128位（16字节），192位（24字节），256位（32字节）
AES的IV必须是16字节

第一种 ：当我们使用hutool加密实现, 其中下文中的content为待加密的内容，注意：hutool将对称加密都封装在symmetric包中，默认使用ECB 模式和 PKCS5Padding 填充方式

ini 复制代码

// 生成密钥，AES  默认密钥长度为 128位(keySize可以指定位数)
byte[] keyBytes = SecureUtil.generateKey(SymmetricAlgorithm.AES.getValue()).getEncoded();
// 创建 AES 加密对象，使用 ECB 模式和 PKCS5Padding 填充方式
AES aes = SecureUtil.aes(keyBytes);
// 加密十六进制字符串结果
String encrypt = aes.encryptHex(content);
// 加密base64结果
String encrypt = aes.encryptBase64(content);
// 解密
String decryptStr = aes.decryptStr(encrypt);

如果你想使用密钥便于传输或者存储，可以转换成base64结果/Hex十六进制字符串。

scss 复制代码

// 将字节数组编码为 Base64 字符串
Base64.getEncoder().encodeToString(keyBytes);
// 十六进制字符串，可以使用 Hutool 的 HexUtil
String hexKey = HexUtil.encodeHexStr(encodedKey);

如果你需要修改其他加密模式CBC/填充模式NoPadding，需要手动构建AES对象, 注意使用CBC需要初始化响亮(IV)

ini 复制代码

private static final String INIT_VECTOR = "1234567890123456";

AES aes = new AES(Mode.CBC, Padding.PKCS5Padding, keyBytes, INIT_VECTOR.getBytes());

第二种：当我用java原生来实现

KeyGenerator 来实现生成AES密钥，也可以通过自己有了密钥通过使用 SecretKeySpec 将字节数组转换为密钥对象，

ini 复制代码

private static final String INIT_VECTOR = "1234567890123456";

// 生成AES密钥
KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
keyGen.init(128); // 设置密钥长度
SecretKey secretKey = keyGen.generateKey()

// 通过自己的密钥给定
byte[] keyBytes = "my-secret-key-123".getBytes(); // 必须是 16、24 或 32 字节
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");

使用 Cipher 类初始化加密模式，然后配置工作模式和填充方式，最后加密以base64结果

ini 复制代码

// 加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(INIT_VECTOR.getBytes());
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, ivSpec);
byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
String result = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);

// 解密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(INIT_VECTOR.getBytes());
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, ivSpec);
byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);
byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(decodedBytes);
String result =  new String(decryptedBytes);

非对称加密

使用一对密钥（公钥和私钥），公钥加密，私钥解密。安全性能高，但速度可能会慢。

目前市面上常用的加密算法： RSA比较推荐

RSA 实现

现在主要应用的格式为PEM格式，公钥文件扩展名.pem, .pub. 私钥文件扩展名.pem, .key ，以-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----或-----BEGIN PUBLIC KEY-----开头，以-----END RSA PRIVATE KEY-----或-----END PUBLIC KEY-----结尾，中间是经过 Base64 编码的密钥数据

第一种 ：当我们使用hutool加密实现

ini 复制代码

// 自动生成密钥对 ， 对应base64结果的公钥和私钥
RSA rsa = new RSA();
// 如果是有公钥和私钥，可以自定义初始化
// RSA rsa = new RSA(privateKey, publicKey);
String publicKey = rsa.getPublicKeyBase64();
String privateKey = rsa.getPrivateKeyBase64();

通过调用encryptBase64来实现加密，decryptStr来实现解密

ini 复制代码

// 使用公钥加密
String encrypted = rsa.encryptBase64(plainText, KeyType.PublicKey);
// 使用私钥解密
String decrypted = rsa.decryptStr(encrypted, KeyType.PrivateKey);

如果有对于数据签名进行验签需求,可以使用sha256 with rsa签名，可以通过sign来实现

ini 复制代码

byte[] data = "12345".getBytes();
Sign sign = SecureUtil.sign(SignAlgorithm.MD5withRSA);
// Sign sign = SecureUtil.sign(SignAlgorithm.MD5withRSA，privateKeyBase64, publicKeyBase64);
//签名
byte[] signed = sign.sign(data);
//验证签名
boolean verify = sign.verify(data, signed);

第二种 ：当我用java原生来实现，公钥通常以 X.509 标准格式进行编码，所以使用X509EncodedKeySpec

ini 复制代码

// 获取公钥 ， 字符串publicKeyContent为公钥base64加密内容，剔除 BEGIN和END
byte[] publicKeyBytes = Base64.getDecoder().decode(publicKeyContent);
X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKeyBytes);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
PublicKey publicKey =  keyFactory.generatePublic(keySpec);

// 获取私钥，字符串privateKeyContent为私钥base64加密内容，剔除 BEGIN和END
byte[] privateKeyBytes = Base64.getDecoder().decode(privateKeyContent);
PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKeyBytes);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(keySpec);

使用 Cipher 类初始化加密模式使用公钥/私钥，来进行加解密

ini 复制代码

// 加密，最后以base64结果输出
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
String encode = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);

// 解密,先将获取到的base64结果转换，最后还原字符串原文
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedText));
String s = new String(decryptedBytes);

注意：公钥可以对所有人公开获取，私钥是私密的只有密钥持有者才有。使用公钥加密->只有私钥能解密（对应场景：加密数据）使用私钥加密->所有公钥都能解开（对应场景：验签）

所以一般使用场景就是对数据加密，使用前端公钥加密，后端私钥才能解开。对于服务器发送的数据带有私钥签名，所有的公钥都能验证签名。

哈希算法

通过单向的加密方式，生成固定长度的摘要值，注意无法逆向还原数据，一般用于比对数据完整性校验。

目前市面上常用的加密算法： MD5,SHA系列,HMAC,bcrypt

MD5 实现

MD5 ：主要应用场景，还是针对验证数据完整性，防止内容被篡改（但容易收到碰撞攻击）

第一种使用原生java实现，

ini 复制代码

// 创建 MD5 摘要实例
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");

// 计算哈希值
md.update("12345".getBytes());
byte[] digest = md.digest();
// 后续在通过字节数组转换为十六进制字符串

第二种使用hutool实现

ini 复制代码

String s = SecureUtil.md5("12345");
// 也可自己定义构建实现
MD5 md5 = new MD5();
String s1 = md5.digestHex("12345");

SHA实现

SHA：主要场景：密码存储，数字签名，验证数据完整性等。

目前SHA-1容易收到碰撞攻击，安全性不高。SHA-2目前是安全的，SHA-3是作为是作为前者SHA-2的备用

对于SHA-2的变种，不同的输出的长度

SHA-256 ：输出 256 位（64 个十六进制字符）。
SHA-384 ：输出 384 位（96 个十六进制字符）。
SHA-512 ：输出 512 位（128 个十六进制字符）。

第一种使用java原生的实现针对SHA-256

ini 复制代码

MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");

// 计算哈希值
md.update("12345".getBytes());
byte[] digest = md.digest();
// 后续在通过字节数组转换为十六进制字符串

第二种使用hutool的实现

ini 复制代码

String sha256Hex = DigestUtil.sha256Hex("12345");

在密码存储等场景中，通常需要对输入数据进行加盐（Salt）处理以增加安全性，可以将输入值和Salt字符串拼接来实现加密。

HMAC系列实现

HMAC系列 ：主要应用场景是验签等操作，需要密钥

常见的HMAC算法：

HMAC-MD5
HMAC-SHA1
HMAC-SHA256
HMAC-SHA512

通过密钥配合来实现HMAC的加解密

第一种：通过java原生实现

ini 复制代码

// 创建 Mac 实例
Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
// 将密钥转换为 SecretKeySpec
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(secretKey.getBytes(), algorithm);
// 初始化 Mac 对象
mac.init(secretKeySpec);
// 更新输入数据
mac.update(message.getBytes());
// 计算 HMAC 值
byte[] hmacBytes = mac.doFinal();

第二种：使用Hutool来实现

ini 复制代码

SecretKey secretKey = SecureUtil.generateKey(HmacAlgorithm.HmacSHA256.getValue())
Hmac hmac = new Hmac(HmacAlgorithm.HmacSHA256,secretKey)
hmac.digest("12345")

bcrypt实现

bcrypt: 主要应用场景密码存储和身份验证，由于计算速度慢，不适合存储哈希大量数据。

第一种：使用Spring Security 提供的 BCryptPasswordEncoder 类

xml 复制代码

<dependency>
    <groupId>org.springframework.security</groupId>
    <artifactId>spring-security-core</artifactId>
    <version>5.8.0</version> <!-- 请根据需要选择最新版本 -->
</dependency>

注意： BCryptPasswordEncoder 内部已经实现了加盐机制，无需手动设置盐值。每次调用 encode 方法时，它会自动生成一个随机盐值，并将其嵌入到最终的哈希结果中

ini 复制代码

BCryptPasswordEncoder encoder = new BCryptPasswordEncoder();
// 生成加密后的密码
String hashedPassword = encoder.encode("mySecurePassword123");
// 验证密码
boolean isMatch = encoder.matches(rawPassword, hashedPassword);

第二种通过hutool实现

arduino 复制代码

// 加密
String result = DigestUtil.bcrypt("12345")
// 匹配
boolean flag = DigestUtil.bcryptCheck("12345","hashed")

混合加密

混合加密结合了对称加密和非对称加密的优点，既保证了安全性，又提高了性能。

两者各自起到的作用为：

通过非对称加密（如RSA）传递会话密钥
通过对称加密（如AES）使用会话密钥来加解密传输数据

例如我们现在日常使用的HTTPS的加解密过程，具体流程步骤如下：

客户端发起Https请求
服务器返回对应证书（公钥和CA签名）
客户端验证证书（有效期，是否受信任CA签发，证书和访问域名是否一致）
密钥协商（对应我们上述所说的混合加密）
- 生成随机数，使用证书公钥加密
- 服务器用私钥解密，得到随机数
- 客户端和服务端根据这个随机数和其他握手信息生成相同会话密钥
- 后续通过这个密钥来加密传输数据
- 直到会话结束，会话密钥被丢弃

综合应用场景

二进制内容的传输和展示

对于应用到二进制数据的传输，文件图片等信息

针对图片内容，前端传输字符串的base64的编码数据
- 前端传输的base64内容
对于一些密钥信息存在二进制数组内容，可以通过直接将其转换为base64的文本形式
url的上的编码问题，可以通过base64来实现

ini 复制代码

// 后端获取到byte[]二进制内容 ,获取到流能后续操作
byte[] content = Base64.decodeStr(encode);
InputStream inputStream = new ByteArrayInputStream(imageBytes);

// 对于加密的数据可以通过base64的形式来传输
byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
String base64Content = Base64.getDecoder().decode(byteArray)

前后端传输私密数据

例如在用户登录，支付信息，个人隐私数据等接口的调用上，可以增加混合加密。

首先后端通过非对称加密(RSA)生成一对公钥和私钥。公钥由前端存储，私钥由后端存储。
前端请求接口，通过算法生成AES的会话密钥
- 前端使用RSA加密会话密钥
- 前端使用AES的密钥来加密传输数据
- 前端将加密的会话密钥和加密的传输数据发送给后端
后端通过私钥来解开加密的会话密钥，获得会话密钥，然后通过会话密钥来解开加密数据

验证身份

可以通过sha256 with ras来实现对数据签名，然后通过对签名数据来验签，判定是否是可靠的用户传递的，以此来确定身份。

注意：传递的签名，是由私钥签名获得，验签名可以通过公钥。

ini 复制代码

Sign sign = SecureUtil.sign(SignAlgorithm.MD5withRSA，privateKeyBase64, publicKeyBase64);
//签名
byte[] signed = sign.sign(data);
//验证签名 ,通过数据和签名来验证
boolean verify = sign.verify(data, signed);

也可以使用 hmac-sha256

ini 复制代码

Hmac hmac = SecureUtil.hmacSha256(key)
byte[] digest = hmac.digest(data)
// 比较两个签名数组
hmac.verify(digest,digestToCompare)

密码的加密

对于注册用户的时候，对于密码的加密保存在后端，可以使用bcrypt的方式来加密进行存储。后续崽用户登录的时候，可以将这个登录的密码加密和数据库存储的密码比对是否一致即可。

ini 复制代码

BCryptPasswordEncoder encoder = new BCryptPasswordEncoder();
// 生成加密后的密码
String hashedPassword = encoder.encode("mySecurePassword123");
// 验证密码
boolean isMatch = encoder.matches(rawPassword, hashedPassword);

标识文件哈希值

对于不同文件，我们在上传文件的时候不可能比对整个文件是否一致，而是通过比对哈希值是否一致性，就能判定是否两个文件相同。计算文件的哈希值需要参考的内容需要思考一下，

可以通过文件头部，中部和尾部的组合
可以随机性的都固定选取指定部分内容
结合一些文件大小等信息综合判定

scss 复制代码

// 读取文件的头部、中间和尾部
byte[] head = readBytes(file, 0, 1024); // 头部 1KB
byte[] middle = readBytes(file, fileSize / 2, 1024); // 中间 1KB
byte[] tail = readBytes(file, fileSize - 1024, 1024); // 尾部 1KB

// 将数组拼接
byte[] combined = concatenate(head, middle, tail);
// 最后计算哈希值
return calculateHash(combined, "SHA-256");

到底是使用md5还是sha呢？如果是对于想快速，安全性可以降低点的选择md5，如果对于安全性高的选择sha

参考第三方使用案例

微信支付

对于微信支付的验签名场景：

微信支付应答商户的请求时，商户需要验签（验证请求是来自微信支付）
接收微信支付的回调时，商户需要验签（验证请求是来自微信支付）

主要是通过：sha256 with rsa 来实现验签名，对于响应数据的结果拼接和签名比对是否签名正确

支付宝

对于支付宝api请求，需要用户传递支付宝对参数的签名，赋值在请求头上

主要通过对参数的排序，然后通过RSA来实现加密

对于支付宝api请求的处理结果，通过支付宝服务器的私钥进行加密

主要通过RSA来实现加密，用户通过支付宝公钥来实现验签名

shopee 和 tiktok

对于用户的API请求，使用对参数进行hmacsha256的加密