常见加密算法介绍

一、介绍

数据加密是项目中非常常见的业务需求，封装好的三方组件也非常多，自己在工作时也经常会使用到，这次对主流常用的几种加密方式做一个梳理，会分别介绍其使用场景，以及如何使用。

二、对称加密

加密或者解密都需要使用相同的密钥，这意味着只要密钥泄露，数据就可以被随意解密，所以这种加密方式不适用于于三方公司合作或者前后端交互中使用。

一般情况下，对称加密用于数据存储时进行加密，数据在需要使用的时候进行解密，避免在数据库中明文存储的问题。

2.1、AES

2.1.1、介绍

AES是一个块加密算法，意味着它会将明文数据分成固定大小的块（在AES中，每个块的大小是128位），然后对每个块进行加密。AES支持128位、192位和256位三种长度的密钥，这意味着AES的安全性非常高。

AES的工作过程包括多个加密轮次，每个轮次都包括一系列的操作，包括字节替换（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。这些操作一起确保了AES的高安全性。

AES的一个主要优点是它的效率很高，可以在各种不同的硬件和软件平台上实现，并且可以抵抗各种已知的攻击。因此，AES已经成为了全球最流行的对称加密算法之一，被广泛用于保护敏感的数据。

密钥长度必须是128、192或256位，这对应于16、24或32字节。

2.1.2、使用

package com.xx.utils;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.util.Base64Utils;import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;@Slf4j
public class AESUtil {/*** 算法定义*/private static final String AES_ALGORITHM = "AES";/*** 指定填充方式*/private static final String CIPHER_PADDING = "AES/ECB/PKCS5Padding";/*** AES加密** @param content 待加密内容* @param aesKey  密钥key* @return 加密后的内容*/public static String encrypt(String content, String aesKey) {//判断秘钥是否为16位try {//设置加密算法，生成秘钥SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(aesKey.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), AES_ALGORITHM);// "算法/模式/补码方式"Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_PADDING);//选择加密cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);//根据待加密内容生成字节数组byte[] encrypted = cipher.doFinal(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));//返回base64字符串return Base64Utils.encodeToString(encrypted);} catch (Exception e) {log.error("字符串【{}】加密失败：", content, e);return null;}}/*** 解密** @param content 待解密内容* @param aesKey  密钥Key* @return 密码*/public static String decrypt(String content, String aesKey) {try {SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(aesKey.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), AES_ALGORITHM);Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_PADDING);cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);byte[] decodeBase64 = Base64Utils.decodeFromString(content);return new String(cipher.doFinal(decodeBase64), StandardCharsets.UTF_8);} catch (Exception e) {log.error("字符串【{}】加密失败：", content, e);return null;}}public static void main(String[] args) {String key = "1111111111111111";String encrypt = encrypt("hello aes", key);String decrypt = decrypt(encrypt, key);System.out.println("encrypt:" + encrypt);System.out.println("decrypt:" + decrypt);}
}

2.1.3、性能测试

测试代码

public static void main(String[] args) {String key_16 = "wakpzJ8dCjWmHSdd";String key_24 = "5r0pYWpkdExmhAajYQQhaDAQ";String key_32 = "81ZhAiXK1QGzQDGdEekr9JnAbTzC7EfE";// 模拟身份证长度String content = "123456789012345678";test(content, key_16, "16");test(content, key_24, "24");test(content, key_32, "32");}private static void test(String content, String key, String len) {long start = System.currentTimeMillis();for (int i = 0; i < 1000000; i++) {encrypt(content, key);}long end = System.currentTimeMillis();System.out.println(len + "位密钥长度耗时：" + (end - start));}

16位密钥长度耗时：3595
24位密钥长度耗时：3293
32位密钥长度耗时：3487

循环10万次（单位：毫秒）

文本	16位密钥耗时	24位密钥耗时	32位密钥耗时
18位数字	3595	3293	3487
18位随机字符串	3705	3558	3492
36位随机字符串	3778	3735	3683
128位随机字符串	4145	3651	3766

大文件测试（加密一次，单位：毫秒）

文本	16位密钥耗时	24位密钥耗时	32位密钥耗时
100M文本	744	879	620

从上面的测试可以看到AES的性能非常优秀，在服务器上的性能应该会更加优异。

2.2、SM4

2.2.1、介绍

SM4是由中国国家密码管理局发布的对称加密密码算法，密钥长度固定为16位

2.2.2、使用

这里直接使用hutool提供的工具类

package com.xx.utils;import cn.hutool.crypto.SmUtil;
import cn.hutool.crypto.symmetric.SM4;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.stereotype.Component;/*** @author xx* @describe 国密* @since 2024/5/6 16:31*/
@Component
@Slf4j
public class SM4Utils {/*** sm4加密** @param text 待加密文本* @return 加密结果*/public static String encrypt(String key, String text) {SM4 sm4 = SmUtil.sm4(key.getBytes());return sm4.encryptHex(text);}/*** sm4解密** @param text 待解密文本* @return 解密结果*/public static String decrypt(String key, String text) {SM4 sm4 = SmUtil.sm4(key.getBytes());return sm4.decryptStr(text);}public static void main(String[] args) {String key = "wakpzJ8dCjWmHSdd";String text = "hello sm4";String encrypt = encrypt(key, text);String decrypt = decrypt(key, encrypt);System.out.println("encrypt:" + encrypt);System.out.println("decrypt:" + decrypt);}}

2.2.3、性能测试

文本	循环10万次	循环100万次	执行一次
18位数字	593	1806
18位随机字符串	593	1878
36位随机字符串	623	2217
128位随机字符串	784	3564
100M文件			2140

2.3、总结

AES提出的时间更早，所以其影响范围也更大，而SM4是由我国自主提出的加密算法，出现的更晚，知道的人也更少，但是其性能非常优异，从测试结果来看是AES的6到7倍。

三、非对称加密

非对称加密使用一组密钥对来进行加解密，公钥是公开的，任何人都可以使用公钥来加密信息。然而，只有拥有相应私钥的人才能解密这些信息。

非对称加密的主要优点是安全性高。因为即使攻击者获取到公钥，也无法解密加密的信息，除非他们能够获取到对应的私钥。这大大提高了数据的安全性。

3.1、RSA

3.1.1、介绍

RSA是目前最为流行的非对称加密方式，常用于客户端向服务端提交敏感数据，或者于三方对接时保护数据安全。

3.1.2、使用

这里依旧使用hutool工具包来操作

package com.xx.utils;import cn.hutool.crypto.SecureUtil;
import cn.hutool.crypto.asymmetric.KeyType;
import cn.hutool.crypto.asymmetric.RSA;import java.security.KeyPair;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.util.Base64;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;/*** @author xiaxing* @describe* @since 2024/7/5 16:26*/
public class RSAUtil {public static final String ENCRYPT_TYPE = "RSA";/*** 获取公钥的key*/private static final String PUBLIC_KEY = "RSAPublicKey";/*** 获取私钥的key*/private static final String PRIVATE_KEY = "RSAPrivateKey";public static Map<String, String> generateKeyPair() {try {KeyPair pair = SecureUtil.generateKeyPair(ENCRYPT_TYPE);PrivateKey privateKey = pair.getPrivate();PublicKey publicKey = pair.getPublic();// 获取 公钥和私钥 的 编码格式（通过该 编码格式 可以反过来 生成公钥和私钥对象）byte[] pubEncBytes = publicKey.getEncoded();byte[] priEncBytes = privateKey.getEncoded();// 把 公钥和私钥 的 编码格式 转换为 Base64文本 方便保存String pubEncBase64 = Base64.getEncoder().encodeToString(pubEncBytes);String priEncBase64 = Base64.getEncoder().encodeToString(priEncBytes);Map<String, String> map = new HashMap<String, String>(2);map.put(PUBLIC_KEY, pubEncBase64);map.put(PRIVATE_KEY, priEncBase64);return map;} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}return null;}/*** 公钥加密** @param content   要加密的内容* @param publicKey 公钥*/public static String encrypt(String content, String publicKey) {try {RSA rsa = new RSA(null, publicKey);return rsa.encryptBase64(content, KeyType.PublicKey);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}return null;}/*** 私钥解密** @param content    要解密的内容* @param privateKey 私钥*/public static String decrypt(String content, String privateKey) {try {RSA rsa = new RSA(privateKey, null);return rsa.decryptStr(content, KeyType.PrivateKey);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}return null;}public static void main(String[] args) {Map<String, String> keyPair = generateKeyPair();String content = "hello rsa";String encrypt = encrypt(content, keyPair.get(PUBLIC_KEY));String decrypt = decrypt(encrypt, keyPair.get(PRIVATE_KEY));System.out.println("encrypt:" + encrypt);System.out.println("decrypt:" + decrypt);}
}

3.1.3、性能测试

文本	循环10万次	循环100万次
18位数字	5412	52093
18位随机字符串	5483	78604
36位随机字符串	5449	62476
128位随机字符串	7541	72679

3.2、SM2

3.2.1、介绍

SM2是由中国国家密码管理局发布的非对称加密密码算法，其只支持公钥加密，私钥解密，不支持反转。

3.2.2、使用

package com.xx.utils;import cn.hutool.crypto.SecureUtil;
import cn.hutool.crypto.asymmetric.KeyType;
import cn.hutool.crypto.asymmetric.SM2;import java.security.KeyPair;
import java.util.Base64;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;/*** @author xiaxing* @describe* @since 2024/7/5 16:45*/
public class SM2Util {/*** 获取公钥的key*/private static final String PUBLIC_KEY = "SM2PublicKey";/*** 获取私钥的key*/private static final String PRIVATE_KEY = "SM2PrivateKey";public static Map<String, String> generateKeyPair() {KeyPair pair = SecureUtil.generateKeyPair("SM2");byte[] privateKey = pair.getPrivate().getEncoded();byte[] publicKey = pair.getPublic().getEncoded();Map<String, String> map = new HashMap<>(2);map.put(PUBLIC_KEY, Base64.getEncoder().encodeToString(publicKey));map.put(PRIVATE_KEY, Base64.getEncoder().encodeToString(privateKey));return map;}/*** sm4加密** @param text 待加密文本* @return 加密结果*/public static String encrypt(String key, String text) {SM2 sm2 = new SM2(null, key);return sm2.encryptBase64(text, KeyType.PublicKey);}/*** sm4解密** @param text 待解密文本* @return 解密结果*/public static String decrypt(String key, String text) {SM2 sm2 = new SM2(key, null);return sm2.decryptStr(text, KeyType.PrivateKey);}public static void main(String[] args) {String text = "hello sm2";Map<String, String> keyPair = generateKeyPair();String encrypt = encrypt(keyPair.get(PUBLIC_KEY), text);String decrypt = decrypt(keyPair.get(PRIVATE_KEY), encrypt);System.out.println(encrypt);System.out.println(decrypt);}
}

3.2.3、性能测试

100万次的性能实在是太差了，这里不测评了

文本	循环10万次
18位数字	45992
18位随机字符串	47378
36位随机字符串	48564
128位随机字符串	44770

3.3、总结

RSA和SM2都是最常用的非对称加密方式，常用于客户端和服务端交互，或者和一些不受信的三方交互。

四、摘要加密

摘要加密其加密的过程是不可逆的，一般被用于验证数据的完整性和一致性。

4.1、MD5

4.1.1、介绍

MD5使用的范围非常广泛，一般的项目中用户密码都会采用MD5来进行加密。目前认为MD5已经不再是安全的，因为已经有多种方法可以快速生成MD5碰撞。但复杂的密码依旧是难以被暴力破解的

4.1.2、使用

package com.xx.utils;import cn.hutool.crypto.digest.MD5;
import org.bouncycastle.pqc.math.linearalgebra.ByteUtils;
import org.springframework.util.DigestUtils;import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;/*** @author xiaxing* @describe* @since 2024/7/8 15:01*/
public class MD5Util {public static String springMD5(String context) {return DigestUtils.md5DigestAsHex(context.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));}public static String javaMD5(String context) throws NoSuchAlgorithmException {MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");byte[] digest = md5.digest(context.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));return ByteUtils.toHexString(digest);}public static String hutoolMD5(String context) {return MD5.create().digestHex(context);}public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {String context = "123456";System.out.println("spring:" + springMD5(context));System.out.println("java:" + javaMD5(context));System.out.println("hutool:" + hutoolMD5(context));}}

4.1.3、性能测试

文本	循环10万次	循环100万次
18位数字	466	1263
18位随机字符串	470	1288
36位随机字符串	484	1427
128位随机字符串	510	1627

4.2、SM3

4.2.1、介绍

SM3是中国自主研发的密码哈希函数，它在密码学社区中也得到了广泛的认可。

4.2.2、使用

package com.xx.utils;import cn.hutool.crypto.SmUtil;
import org.bouncycastle.crypto.digests.SM3Digest;
import org.bouncycastle.util.encoders.Hex;/*** @author xiaxing* @describe* @since 2024/7/8 15:22*/
public class SM3Util {public static String hutoolSM3(String context) {return SmUtil.sm3(context);}public static String bcprovSM3(String context) {SM3Digest sm3 = new SM3Digest();byte[] bytes = context.getBytes();sm3.update(bytes, 0, bytes.length);byte[] result = new byte[sm3.getDigestSize()];sm3.doFinal(result, 0);return Hex.toHexString(result);}public static void main(String[] args) {String context = "123456";System.out.println(hutoolSM3(context));System.out.println(bcprovSM3(context));}
}