加密算法

加密算法是信息安全领域的重要组成部分，是保护数据机密性、完整性和不可抵赖性的重要工具。该文档总结了常见的加密算法理论、分类以及 Java 的实现代码。

目录

1. 什么是加密算法
2. 加密算法分类
3. 对称加密算法
   • AES 加密
   • DES 加密
4. 非对称加密算法
   • RSA 加密
5. 散列算法
   • MD5 哈希算法
   • SHA 哈希算法
6. 数字签名
7. 加密算法对比
8. 总结

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1. 什么是加密算法

加密算法是一种信息安全算法，用于将数据转换为难以理解的形式，保护数据在传输和存储中的机密性、完整性和不可抵赖性。

核心目标

1. 机密性：防止未授权方读取数据。
2. 完整性：确保数据未被篡改。
3. 不可抵赖性：发送方不能否认发送的数据。

常见用途

• 数据传输加密（如 HTTPS 协议）
• 文件系统加密
• 数字签名与认证

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2. 加密算法分类

根据密钥使用方式的不同，加密算法可分为以下几类：

加密算法类型	描述	示例算法	使用场景
对称加密	加密和解密使用相同密钥	AES、DES	数据存储与传输
非对称加密	加密和解密使用不同的密钥（公钥加密，私钥解密，或反之）	RSA、ECC	密钥交换与身份认证
散列算法	单向函数，无需解密，主要用于数据完整性验证	MD5、SHA、HMAC	密码存储与完整性
数字签名	利用非对称加密验证信息来源和完整性	RSA 签名	电子合同/文件签名

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3. 对称加密算法

3.1 AES 加密

原理

AES（高级加密标准）是一种对称加密算法，使用块加密的方式，支持 128、192、256 位密钥长度。

• 输入：明文 + 密钥
• 输出：密文

Java 实现

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class AESExample {
    private static final String ALGORITHM = "AES";

    public static String encrypt(String plainText, SecretKey secretKey) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }

    public static String decrypt(String cipherText, SecretKey secretKey) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
        byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(cipherText);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(decodedBytes);
        return new String(decryptedBytes);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM);
        keyGenerator.init(128); // 密钥长度 128 位
        SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

        String plainText = "Hello, AES!";
        String cipherText = encrypt(plainText, secretKey);
        System.out.println("密文: " + cipherText);

        String decryptedText = decrypt(cipherText, secretKey);
        System.out.println("解密结果: " + decryptedText);
    }
}

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3.2 DES 加密

原理

• 数据加密标准（DES）是一种块加密算法，使用 56 位密钥。

特点

• 安全性较低（已被淘汰），适合简单场景。
• Java 的实现方式与 AES 类似。

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4. 非对称加密算法

4.1 RSA 加密

原理

RSA 使用两个密钥：

• 公钥：公开传播，用于加密。
• 私钥：仅发送方自己持有，用于解密。

特点

• 优点：
  • 高安全性，用于密钥交换与身份认证。
• 缺点：
  • 计算开销大，不适合大数据量加密。

Java 实现

import javax.crypto.Cipher;
import java.security.*;
import java.util.Base64;

public class RSAExample {
    private static final String ALGORITHM = "RSA";

    public static KeyPair generateKeyPair() throws Exception {
        KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
        keyGen.initialize(2048); // 密钥长度
        return keyGen.generateKeyPair();
    }

    public static String encrypt(String plainText, PublicKey publicKey) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
    }

    public static String decrypt(String cipherText, PrivateKey privateKey) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(cipherText);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(decodedBytes);
        return new String(decryptedBytes);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        KeyPair keyPair = generateKeyPair();
        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();

        String plainText = "Hello, RSA!";
        String cipherText = encrypt(plainText, publicKey);
        System.out.println("密文: " + cipherText);

        String decryptedText = decrypt(cipherText, privateKey);
        System.out.println("解密结果: " + decryptedText);
    }
}

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5. 散列算法

5.1 MD5 哈希算法

原理

MD5 是一种单向函数，通常用于验证数据完整性。

Java 实现

import java.security.MessageDigest;

public class MD5Example {
    public static String hash(String input) throws Exception {
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        byte[] hashBytes = md.digest(input.getBytes());
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (byte b : hashBytes) {
            sb.append(String.format("%02x", b)); // 转为 16 进制
        }
        return sb.toString();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String input = "Hello, MD5!";
        String hashValue = hash(input);
        System.out.println("MD5 散列: " + hashValue);
    }
}

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5.2 SHA 哈希算法

原理

SHA（Secure Hash Algorithm）是一种密码学散列算法，SHA-256 最常用，输出 256 位。

Java 实现

import java.security.MessageDigest;

public class SHAExample {
    public static String hash(String input) throws Exception {
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
        byte[] hashBytes = md.digest(input.getBytes());
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (byte b : hashBytes) {
            sb.append(String.format("%02x", b));
        }
        return sb.toString();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String input = "Hello, SHA-256!";
        String hashValue = hash(input);
        System.out.println("SHA-256 散列: " + hashValue);
    }
}

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6. 数字签名

工作原理

• 通过非对称加密实现，私钥用于签名，公钥用于验证。

使用场景

• 文件或数据的完整性验证。
• 电子合同。

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7. 加密算法对比

算法	类型	安全性	使用场景	性能
AES	对称加密	高	文件加密、数据传输	快速
RSA	非对称加密	很高	密钥交换、身份验证	慢（适合小数据）
MD5	散列算法	低（已不推荐）	数据完整性验证	快速
SHA-256	散列算法	高	密码哈希	较慢

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8. 总结

本文总结了加密算法的主要分类、实现方式及应用场景。对称加密和非对称加密是实际应用中的核心，而散列算法无解密过程，适合验证完整性。在实际开发中，根据场景选择适合的加密算法至关重要。