1.5加密和解密设计和原理

目录介绍

  • 01.基础概念介绍
    • 1.1 加解密的基础
    • 1.2 对称加密和解密
    • 1.3 非对称加密解密
    • 1.4 单向加密方式
  • 02.MD5加密思想
  • 03.Base64编解码
  • 04.Hash算法设计和应用
  • 05.DES加解密思想
  • 06.AES加解密设计
  • 07.RC4加解密思想
  • 08.RSA加解密设计
  • 09.SM国密算法

01.基础概念介绍

1.1 加解密的基础

  • 1）在对称加密算法中
    • 双方使用的密钥相同，要求解密方事先必须知道加密密钥。这类加密算法技术较为成熟，加密效率高。
  • 2）在非对称加密算法中
    • 收发双方使用不同的密钥，发方使用公开密钥对消息进行加密，收发使用私有密钥机型解密，保密性更高，但效率更低。
  • 3）单向加密算法
    • 输入明文后由算法直接加密成密文，密文无法解密，只有重新输入密文，并经过同样的加密算法处理，得到形同的密文并被系统重新识别后，才能真正的解密。

1.2 对称加密和解密

  • 一句话概括：加密和解密都是用相同密钥。
    • 密钥可以自己指定，只有一把密钥，如果密钥暴露，文件就会被暴露。
    • 特点是加密速度很快，但是缺点是安全性较低，因为只要密钥暴漏，数据就可以被解密了。
  • 常见的对称加密和解密：
    • DES算法；AES算法

1.3 非对称加密解密

  • 加密和解密的规则是：
    • 公钥加密只能私钥解密，私钥加密只能公钥解密。特点是加密速度慢些，但是安全系数很高
  • 应用场景举例：
    • 在集成支付宝支付sdk时，需要生成私钥和公钥，公钥需要设置到支付宝网站的管理后台，在程序中调用支付接口的时候，使用我们自己的私钥进行加密，这样支付宝由于有公钥可以解密，其他人即时劫持了数据，但是没有公钥，也无法解密。
  • 常见非对称加密：
    • RSA

1.4 单向加密方式

02.各种加密介绍

2.1 MD5加密方式

  • MD5（信息-摘要算法5）
    • 用于确保信息传输完整一致。是计算机广泛使用的杂凑算法之一（又译摘要算法、哈希算法），主流编程语言普遍已有MD5实现。
  • MD5算法具有特点
    • 1、压缩性：任意长度的数据，算出的MD5值长度都是固定的。
    • 2、容易计算：从原数据计算出MD5值很容易。
    • 3、抗修改性：对原数据进行任何改动，哪怕只修改1个字节，所得到的MD5值都有很大区别。
    • 4、强抗碰撞：已知原数据和其MD5值，想找到一个具有相同MD5值的数据（即伪造数据）是非常困难的。
    • 5、MD5加密是不可逆的。
  • MD5使用场景
    • 1.用户登录的时候，系统把用户输入的password计算成MD5值，然后保存该值，每次用户输入密码用md5对比即可知道密码是否正确。
    • 2.文件的完整性校验，在传递文件的过程中附带传递文件的md5值，接收端通过比较文件的md5值判断文件的完整性。
  • 注意事项说明
    • 由于网络MD5数据库比较大，如果直接使用md5加密的话，可能会被破译出来，这是在加密的过程中”加盐”就可以大大避免直接被破译的危险。

2.2 Base64加解密

  • 为何很多对称和非对称加密解密还要对数据base64处理？
    • 各种数据加密方式，最终都会对加密后的二进制数据进行Base64编码，起到一种二次加密的效果。
    • 其实Base64从严格意义上来说的话不是一种加密算法，而是一种编码算法，为何要使用Base64编码呢？它解决了什么问题？
  • 为何要有base64编码，解决什么问题？
    • 在计算机中任何数据都是按ascii码存储的，而ascii码的128～255之间的值是不可见字符。
    • 而在网络上交换数据时，比如说从A地传到B地，往往要经过多个路由设备，由于不同的设备对字符的处理方式有一些不同，这样那些不可见字符就有可能被处理错误，这是不利于传输的。
    • 所以就先把数据先做一个Base64编码，统统变成可见字符，这样出错的可能性就大降低了。
  • Base64是网络上最常见的用于传输8Bit字节代码的编码方式之一
    • Base64并不是安全领域的加密算法，其实Base64只能算是一个编码算法，对数据内容进行编码来适合传输。准确说是把一些二进制数转成普通字符用于网络传输。
  • Base64编码本质上是一种将二进制数据转成文本数据的方案
    • 对于非二进制数据，是先将其转换成二进制形式，然后每连续6比特（2的6次方=64）计算其十进制值，根据该值在A--Z,a--z,0--9,+,/ 这64个字符中找到对应的字符，最终得到一个文本字符串。
  • 基本规则如下几点：
    • 标准Base64只有64个字符（英文大小写、数字和+、/）以及用作后缀等号；
    • Base64是把3个字节变成4个可打印字符，所以Base64编码后的字符串一定能被4整除（不算用作后缀的等号）；
    • 等号一定用作后缀，且数目一定是0个、1个或2个。这是因为如果原文长度不能被3整除，Base64要在后面添加\0凑齐3n位。为了正确还原，添加了几个\0就加上几个等号。显然添加等号的数目只能是0、1或2；
    • 严格来说Base64不能算是一种加密，只能说是编码转换。
  • 密码学 | 庐山真面！你认为 Base64 是加密算法吗？
    • https://juejin.cn/post/6887498543494660109

2.3 Hash算法实现

  • 散列算法是什么
    • 是把任意长度的输入（又叫做预映射 pre-image ）通过算法变换成固定长度的输出。散列是信息的提炼，通常其长度要比信息小得多，且为一个固定长度。
  • 特性：
    • 1.高效：可以快速计算出哈希值；2.不可逆：从哈希值不能反向推导出原始数据；3.输入敏感：原始数据只要有一点变动，得到的哈希值也会差别很大；4.冲突避免：对于不同的原始数据，哈希值相同的概率非常小。
  • 使用场景：
    • 安全加密。 例如网络传输密码。
    • 唯一标识。例如在海量的图库中，搜索一张图是否存在。可以给每一个图片取一个唯一标识，或者说信息摘要，通过这个唯一标识来判定图片是否在图库中，这样就可以减少很多工作量
    • 数据校验。例如下载文件的完整性
    • 负载均衡。通过哈希算法，对客户端 IP 地址或者会话 ID 计算哈希值，将取得的哈希值与服务器个数进行取模运算，最终得到的值就是应该被路由到的服务器编号
  • Hash算法常见案例(MD5、SHA1、SHA256)：
    • MD4 1990年，输出128位 （已经不安全）
    • MD5 1991年，输出128位 （已经不安全）
    • SHA-0 1993年，输出160位 （发布之后很快就被撤回，是SHA-1的前身）
    • SHA-1 1995年，输出160位 （已经不安全）
    • SHA-2 包括 SHA-224、SHA-256、SHA-384，和 SHA-512，分别输出 224、256、384、512位。 (目前安全)

2.6 RC4加解密

  • RC4算法
    • RC4是一种对称密码算法，它属于对称密码算法中的序列密码(streamcipher,也称为流密码)，它是可变密钥长度，面向字节操作的流密码。
  • RC4算法特点：
    • (1)、算法简洁易于软件实现，加密速度快，安全性比较高( 在存储大量的信息时，RC4展现出它的实用性，面对大量的数据，运行简单，速度快)；
    • (2)、密钥长度可变，一般用256个字节。
  • RC4工作规则
    • 第一步：输入密钥+需要加密的信息；第二步：通过密钥逐字节的对信息进行加密；第三步：接收方通过密钥解密数据

2.8 SM国密加解密

  • 国密即国家密码局认定的国产密码算法。
    • 主要有SM1，SM2，SM3，SM4和最新的sm9。在国内环境主要使用的国家密码局认定的算法。
  • 主要包含SM1、SM2、SM3、SM4几种方式。
    • SM1：对称加密，且算法不公开，使用硬件加密，本文不做叙述；
    • SM2：非对称加密，签名以及生成秘钥速度优于RSA，基于ECC算法，运算效率更高，且更安全；
    • SM3：摘要，国产杂凑算法，生成长度为256比特，优于MD5以及SHA-1算法；
    • SM4： 无线局域网标准的分组数据算法。对称加密，密钥长度和分组长度均为128位；
  • SM替代算法核心
    • 对称算法： （DES 3DES AES）===》 SM1、SM4【其中SM1依赖硬件，因此不予实现，也未公开】
    • 非对称密码算法： (RSA) ===》 SM2(椭圆曲线密码)
    • 散列算法： (MD5、SHA-1、SHA-256、SHA-384、SHA512) ===》 SM3
  • SM算法实现应用说明
    • SM2：创建密钥对、获取公钥、获取私钥、加密、解密、签名、验签
    • SM3：加密
    • SM4：创建秘钥、加密、解密

03.加解密框架设计

05.C/C++加解密实践

5.1 MD5加密实践

5.2 Base64实践

5.3 Hash算法实践

5.4 DES加解密实践

5.5 AES加解密实践

  • tiny-AES-c - 轻量级C语言实现的AES加密库
    • tiny-AES-c 是一个由kokke开发的轻量级、高度可移植的AES（Advanced Encryption Standard）加密库，完全用C语言编写。
    • 它的目标是为嵌入式系统和资源有限的设备提供高效且可靠的加密解决方案。
  • 应用场景
    • 嵌入式开发：在物联网设备、智能硬件或微控制器中，用于保护数据传输的安全和隐私。
    • 文件加密：在桌面应用程序或服务器端，可以用于对敏感数据进行本地存储和传输时的加密。
    • 安全通信：作为基础组件，用于构建SSL/TLS协议或者自定义安全通信协议。

5.6 RC4加解密实践

5.7 RSA加解密实践

5.8 SM国密实践

06.Api调用说明

  • 关于MD5加密Api如下所示
    //对字符串md5加密
String md2 = Md5EncryptUtils.encryptMD5ToString(string);
//对字符串md5加密，加盐处理
String md3 = Md5EncryptUtils.encryptMD5ToString(string,"doubi");
//对字节数据md5加密
String md4 = Md5EncryptUtils.encryptMD5ToString(bytes);
//对字节数据md5加密，加盐处理
String md5 = Md5EncryptUtils.encryptMD5ToString(bytes,"doubi".getBytes());
//对文件进行md5加密
String md6 = Md5EncryptUtils.encryptMD5File1(txt);
//对文件进行md5加密
String md7 = Md5EncryptUtils.encryptMD5File2(new File(txt));
  • 关于base64加密和解密的Api如下所示
    //字符Base64加密
String strBase64_2 = Base64Utils.encodeToString(str);
//字符Base64解密
String strBase64_3 = Base64Utils.decodeToString(strBase64_2);
  • 关于DES加密和解密的Api如下所示
    //DES加密字符串
String encrypt1 = DesEncryptUtils.encrypt(string,password);
//DES解密字符串
String decrypt1 = DesEncryptUtils.decrypt(encrypt1 , password);
//DES加密文件
String encryptFile1 = DesEncryptUtils.encryptFile(password, fileName, destFile);
//DES解密文件
String decryptFile1 = DesEncryptUtils.decryptFile(password, destFile, destFile3);
//DES 加密后转为 Base64 编码
String encrypt2 = DesEncryptUtils.encrypt(string.getBytes(), password.getBytes());
//DES解密字符串 Base64 解码
String decrypt2 = DesEncryptUtils.decrypt(encrypt2.getBytes(), password.getBytes());
  • 关于AES加密和解密的Api如下所示
    //AES加密字符串
String encrypt1 = AesEncryptUtils.encrypt(string,password);
//AES解密字符串
String decrypt1 = AesEncryptUtils.decrypt(encrypt1 , password);
  • 关于RC4加密和解密的Api如下所示
    //RC4加密
String encrypt1 = Rc4EncryptUtils.encryptString(string, secretKey);
//RC4解密
String decrypt1 = Rc4EncryptUtils.decryptString(encrypt1, secretKey);
//RC4加密base64编码数据
String encrypt2 = Rc4EncryptUtils.encryptToBase64(bytes1, secretKey);
//RC4解密base64解码数据
byte[] bytes = Rc4EncryptUtils.decryptFromBase64(encrypt2, secretKey);

04.遇到的坑分析

4.1 MD5破解说明

  • MD5破解的方式有哪些？
    • 第一种：

4.2 ASCII不可见字符

  • ASCII码是什么东西
    • ASCII（美国信息交换标准代码）是基于拉丁字母的一套电脑编码系统，主要用于显示现代英语和其他西欧语言。
  • 关于控制台复制文本被截断，不能全部复制出来的问题。
    • 这是由于ASCII编码字符的“不可见字符”导致，不可见字符为控制字符，例如换行，回车等等。
  • 有时候也把不可见字符叫做转义字符
    • C语言中定义了一些字母前加""来表示常见的那些不能显示的ASCII字符，如代码用的\t、\n等，就称为转义字符，因为该字符都不是它本来的ASCII字符意思。

4.4 RSA加解密问题

  • 加密填充方式导致解密异常
    • 遇到Android这边加密过的数据，服务器端死活解密不了，原来android系统的RSA实现是" RSA/None/NoPadding"，而标准JDK实现是"RSA/None/PKCS1Padding" ，这造成了在android机上加密后无法在服务器上解密的原因，所以在实现的时候这个一定要注意这个问题。
  • RSA加密内容长度限制问题
    • 内容长度有限制，1024位key的最多只能加密127位数据，否则就会报错( javax.crypto.IllegalBlockSizeException: Data must not be longer than 117 bytes)
    • RSA 算法规定：待加密的字节数不能超过密钥的长度值除以 8 再减去 11（即：KeySize / 8 - 11），而加密后得到密文的字节数，正好是密钥的长度值除以 8（即：KeySize / 8）。

05.该库性能分析

5.1 加解密效率分析

  • 对称加密和解密效率分析（加密&解密时间，数据内容增大后加密和解密时间）
  • 非对称加密和解密效率分析（加密&解密时间，数据内容增大后加密和解密时间）

5.2 非对称加密为何慢

  • Android常见网络数据加密：https://www.jianshu.com/p/f1081e7a6e20

  • Android数据加密概述及多种加密方式：https://www.cnblogs.com/zsychanpin/p/7308866.html

  • Android传输数据时加密详解：https://cloud.tencent.com/developer/article/2086547

  • 使用RSA分段加解密：https://blog.csdn.net/dongaddxing/article/details/116041314

  • Android应用安全开发之浅谈加密算法的坑: https://www.lmlphp.com/user/58551/article/item/645568/

  • https://github.com/matt-wu/AES

贡献者: yangchong211