Java加密技术（一）——BASE64与单向加密算法MD5&SHA&MAC

加密解密，曾经是我一个毕业设计的重要组件。在工作了多年以后回想当时那个加密、解密算法，实在是太单纯了。 
    言归正传，这里我们主要描述Java已经实现的一些加密解密算法，最后介绍数字证书。 
    如基本的单向加密算法： 

• BASE64 严格地说，属于编码格式，而非加密算法
• MD5(Message Digest algorithm 5，信息摘要算法)
• SHA(Secure Hash Algorithm，安全散列算法)
• HMAC(Hash Message Authentication Code，散列消息鉴别码)

    复杂的对称加密（DES、PBE）、非对称加密算法： 

• DES(Data Encryption Standard，数据加密算法)
• PBE(Password-based encryption，基于密码验证)
• RSA(算法的名字以发明者的名字命名：Ron Rivest, AdiShamir 和Leonard Adleman)
• DH(Diffie-Hellman算法，密钥一致协议)
• DSA(Digital Signature Algorithm，数字签名)
• ECC(Elliptic Curves Cryptography，椭圆曲线密码编码学)

    本篇内容简要介绍BASE64、MD5、SHA、HMAC几种方法。 
    MD5、SHA、HMAC这三种加密算法，可谓是非可逆加密，就是不可解密的加密方法。我们通常只把他们作为加密的基础。单纯的以上三种的加密并不可靠。 

BASE64 
按照RFC2045的定义，Base64被定义为：Base64内容传送编码被设计用来把任意序列的8位字节描述为一种不易被人直接识别的形式。（The Base64 Content-Transfer-Encoding is designed to represent arbitrary sequences of octets in a form that need not be humanly readable.） 
常见于邮件、http加密，截取http信息，你就会发现登录操作的用户名、密码字段通过BASE64加密的。 

 

通过java代码实现如下： 

Java代码  

1. /** 
2.  * BASE64解密 
3.  *  
4.  * @param key 
5.  * @return 
6.  * @throws Exception 
7.  */  
8. public static byte[] decryptBASE64(String key) throws Exception {  
9.     return (new BASE64Decoder()).decodeBuffer(key);  
10. }  
11.   
12. /** 
13.  * BASE64加密 
14.  *  
15.  * @param key 
16.  * @return 
17.  * @throws Exception 
18.  */  
19. public static String encryptBASE64(byte[] key) throws Exception {  
20.     return (new BASE64Encoder()).encodeBuffer(key);  
21. }  

主要就是BASE64Encoder、BASE64Decoder两个类，我们只需要知道使用对应的方法即可。另，BASE加密后产生的字节位数是8的倍数，如果不够位数以=符号填充。 

MD5 
MD5 -- message-digest algorithm 5 （信息-摘要算法）缩写，广泛用于加密和解密技术，常用于文件校验。校验？不管文件多大，经过MD5后都能生成唯一的MD5值。好比现在的ISO校验，都是MD5校验。怎么用？当然是把ISO经过MD5后产生MD5的值。一般下载linux-ISO的朋友都见过下载链接旁边放着MD5的串。就是用来验证文件是否一致的。 

 

通过java代码实现如下： 

Java代码  

1. /** 
2.  * MD5加密 
3.  *  
4.  * @param data 
5.  * @return 
6.  * @throws Exception 
7.  */  
8. public static byte[] encryptMD5(byte[] data) throws Exception {  
9.   
10.     MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance(KEY_MD5);  
11.     md5.update(data);  
12.   
13.     return md5.digest();  
14.   
15. }  

通常我们不直接使用上述MD5加密。通常将MD5产生的字节数组交给BASE64再加密一把，得到相应的字符串。 

SHA 
SHA(Secure Hash Algorithm，安全散列算法），数字签名等密码学应用中重要的工具，被广泛地应用于电子商务等信息安全领域。虽然，SHA与MD5通过碰撞法都被破解了， 但是SHA仍然是公认的安全加密算法，较之MD5更为安全。 

 

通过java代码实现如下： 

Java代码  

1.     /** 
2.      * SHA加密 
3.      *  
4.      * @param data 
5.      * @return 
6.      * @throws Exception 
7.      */  
8.     public static byte[] encryptSHA(byte[] data) throws Exception {  
9.   
10.         MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance(KEY_SHA);  
11.         sha.update(data);  
12.   
13.         return sha.digest();  
14.   
15.     }  
16. }  

HMAC 
HMAC(Hash Message Authentication Code，散列消息鉴别码，基于密钥的Hash算法的认证协议。消息鉴别码实现鉴别的原理是，用公开函数和密钥产生一个固定长度的值作为认证标识，用这个标识鉴别消息的完整性。使用一个密钥生成一个固定大小的小数据块，即MAC，并将其加入到消息中，然后传输。接收方利用与发送方共享的密钥进行鉴别认证等。 

 

通过java代码实现如下： 

Java代码  

1. /** 
2.  * 初始化HMAC密钥 
3.  *  
4.  * @return 
5.  * @throws Exception 
6.  */  
7. public static String initMacKey() throws Exception {  
8.     KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KEY_MAC);  
9.   
10.     SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();  
11.     return encryptBASE64(secretKey.getEncoded());  
12. }  
13.   
14. /** 
15.  * HMAC加密 
16.  *  
17.  * @param data 
18.  * @param key 
19.  * @return 
20.  * @throws Exception 
21.  */  
22. public static byte[] encryptHMAC(byte[] data, String key) throws Exception {  
23.   
24.     SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(decryptBASE64(key), KEY_MAC);  
25.     Mac mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());  
26.     mac.init(secretKey);  
27.   
28.     return mac.doFinal(data);  
29.   
30. }  

给出一个完整类，如下： 

Java代码  

1. import java.security.MessageDigest;  
2.   
3. import javax.crypto.KeyGenerator;  
4. import javax.crypto.Mac;  
5. import javax.crypto.SecretKey;  
6.   
7. import sun.misc.BASE64Decoder;  
8. import sun.misc.BASE64Encoder;  
9.   
10. /** 
11.  * 基础加密组件 
12.  *  
13.  * @author 梁栋 
14.  * @version 1.0 
15.  * @since 1.0 
16.  */  
17. public abstract class Coder {  
18.     public static final String KEY_SHA = "SHA";  
19.     public static final String KEY_MD5 = "MD5";  
20.   
21.     /** 
22.      * MAC算法可选以下多种算法 
23.      *  
24.      * <pre> 
25.      * HmacMD5  
26.      * HmacSHA1  
27.      * HmacSHA256  
28.      * HmacSHA384  
29.      * HmacSHA512 
30.      * </pre> 
31.      */  
32.     public static final String KEY_MAC = "HmacMD5";  
33.   
34.     /** 
35.      * BASE64解密 
36.      *  
37.      * @param key 
38.      * @return 
39.      * @throws Exception 
40.      */  
41.     public static byte[] decryptBASE64(String key) throws Exception {  
42.         return (new BASE64Decoder()).decodeBuffer(key);  
43.     }  
44.   
45.     /** 
46.      * BASE64加密 
47.      *  
48.      * @param key 
49.      * @return 
50.      * @throws Exception 
51.      */  
52.     public static String encryptBASE64(byte[] key) throws Exception {  
53.         return (new BASE64Encoder()).encodeBuffer(key);  
54.     }  
55.   
56.     /** 
57.      * MD5加密 
58.      *  
59.      * @param data 
60.      * @return 
61.      * @throws Exception 
62.      */  
63.     public static byte[] encryptMD5(byte[] data) throws Exception {  
64.   
65.         MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance(KEY_MD5);  
66.         md5.update(data);  
67.   
68.         return md5.digest();  
69.   
70.     }  
71.   
72.     /** 
73.      * SHA加密 
74.      *  
75.      * @param data 
76.      * @return 
77.      * @throws Exception 
78.      */  
79.     public static byte[] encryptSHA(byte[] data) throws Exception {  
80.   
81.         MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance(KEY_SHA);  
82.         sha.update(data);  
83.   
84.         return sha.digest();  
85.   
86.     }  
87.   
88.     /** 
89.      * 初始化HMAC密钥 
90.      *  
91.      * @return 
92.      * @throws Exception 
93.      */  
94.     public static String initMacKey() throws Exception {  
95.         KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KEY_MAC);  
96.   
97.         SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();  
98.         return encryptBASE64(secretKey.getEncoded());  
99.     }  
100.   
101.     /** 
102.      * HMAC加密 
103.      *  
104.      * @param data 
105.      * @param key 
106.      * @return 
107.      * @throws Exception 
108.      */  
109.     public static byte[] encryptHMAC(byte[] data, String key) throws Exception {  
110.   
111.         SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(decryptBASE64(key), KEY_MAC);  
112.         Mac mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());  
113.         mac.init(secretKey);  
114.   
115.         return mac.doFinal(data);  
116.   
117.     }  
118. }  

再给出一个测试类： 

Java代码  

1. import static org.junit.Assert.*;  
2.   
3. import org.junit.Test;  
4.   
5. /** 
6.  *  
7.  * @author 梁栋 
8.  * @version 1.0 
9.  * @since 1.0 
10.  */  
11. public class CoderTest {  
12.   
13.     @Test  
14.     public void test() throws Exception {  
15.         String inputStr = "简单加密";  
16.         System.err.println("原文:\n" + inputStr);  
17.   
18.         byte[] inputData = inputStr.getBytes();  
19.         String code = Coder.encryptBASE64(inputData);  
20.   
21.         System.err.println("BASE64加密后:\n" + code);  
22.   
23.         byte[] output = Coder.decryptBASE64(code);  
24.   
25.         String outputStr = new String(output);  
26.   
27.         System.err.println("BASE64解密后:\n" + outputStr);  
28.   
29.         // 验证BASE64加密解密一致性  
30.         assertEquals(inputStr, outputStr);  
31.   
32.         // 验证MD5对于同一内容加密是否一致  
33.         assertArrayEquals(Coder.encryptMD5(inputData), Coder  
34.                 .encryptMD5(inputData));  
35.   
36.         // 验证SHA对于同一内容加密是否一致  
37.         assertArrayEquals(Coder.encryptSHA(inputData), Coder  
38.                 .encryptSHA(inputData));  
39.   
40.         String key = Coder.initMacKey();  
41.         System.err.println("Mac密钥:\n" + key);  
42.   
43.         // 验证HMAC对于同一内容，同一密钥加密是否一致  
44.         assertArrayEquals(Coder.encryptHMAC(inputData, key), Coder.encryptHMAC(  
45.                 inputData, key));  
46.   
47.         BigInteger md5 = new BigInteger(Coder.encryptMD5(inputData));  
48.         System.err.println("MD5:\n" + md5.toString(16));  
49.   
50.         BigInteger sha = new BigInteger(Coder.encryptSHA(inputData));  
51.         System.err.println("SHA:\n" + sha.toString(32));  
52.   
53.         BigInteger mac = new BigInteger(Coder.encryptHMAC(inputData, inputStr));  
54.         System.err.println("HMAC:\n" + mac.toString(16));  
55.     }  
56. }  

控制台输出： 

Console代码  

1. 原文:  
2. 简单加密  
3. BASE64加密后:  
4. 566A5Y2V5Yqg5a+G  
5.   
6. BASE64解密后:  
7. 简单加密  
8. Mac密钥:  
9. uGxdHC+6ylRDaik++leFtGwiMbuYUJ6mqHWyhSgF4trVkVBBSQvY/a22xU8XT1RUemdCWW155Bke  
10. pBIpkd7QHg==  
11.   
12. MD5:  
13. -550b4d90349ad4629462113e7934de56  
14. SHA:  
15. 91k9vo7p400cjkgfhjh0ia9qthsjagfn  
16. HMAC:  
17. 2287d192387e95694bdbba2fa941009a  

注意 
编译时，可能会看到如下提示： 

引用

警告：sun.misc.BASE64Decoder 是 Sun 的专用 API，可能会在未来版本中删除 

import sun.misc.BASE64Decoder; 
               ^ 
警告：sun.misc.BASE64Encoder 是 Sun 的专用 API，可能会在未来版本中删除 

import sun.misc.BASE64Encoder; 
               ^ 

BASE64Encoder和BASE64Decoder是非官方JDK实现类。虽然可以在JDK里能找到并使用，但是在API里查不到。JRE 中 sun 和 com.sun 开头包的类都是未被文档化的，他们属于 java, javax 类库的基础，其中的实现大多数与底层平台有关，一般来说是不推荐使用的。 


    BASE64的加密解密是双向的，可以求反解。 
    MD5、SHA以及HMAC是单向加密，任何数据加密后只会产生唯一的一个加密串，通常用来校验数据在传输过程中是否被修改。其中HMAC算法有一个密钥，增强了数据传输过程中的安全性，强化了算法外的不可控因素。 
    单向加密的用途主要是为了校验数据在传输过程中是否被修改。