常用加密算法的Java實現(xiàn)(一)

——單向加密算法MD5和SHA

日期：2014/6/1

文：阿蜜果

1、Java的安全體系架構

1.1           Java的安全體系架構介紹

Java中為安全框架提供類和接口。JDK 安全 API 是 Java 編程語言的核心 API，位于 java.security 包（及其子包），以及sun.securityAPI包（及其子包）中。設計用于幫助開發(fā)人員在程序中同時使用低級和高級安全功能。

JDK 1.1 中第一次發(fā)布的 JDK 安全中引入了“Java 加密體系結構”(JCA)，指的是用于訪問和開發(fā) Java 平臺密碼功能的構架。在 JDK 1.1 中，JCA 包括用于數(shù)字簽名和報文摘要的 API。JDK 1.2 大大擴展了 Java 加密體系結構，它還對證書管理基礎結構進行了升級以支持 X.509 v3 證書，并為劃分細致、可配置性強、功能靈活、可擴展的訪問控制引入了新的 Java 安全體系結構。

Java 加密體系結構包含 JDK 1.2 安全 API 中與密碼有關的部分，以及本文檔中提供的一組約定和規(guī)范。為實現(xiàn)多重、可互操作的密碼，它還提供了“提供者”體系結構。

Java 密碼擴展 （JCE)）擴展了 JCA API，包括用于加密、密鑰交換和信息認證碼（MAC）的 API。JCE 和 JDK 密碼共同提供了一個與平臺無關的完整密碼 API。JCE 作為 JDK 的擴展將獨立發(fā)布，以符合美國的出口控制約束。

1.2 在Eclipse中關聯(lián)JDK的源碼

         為了更加深刻的理解單向加密算法MD5和SHA的在Java中的實現(xiàn)，可使用Eclipse IDE關聯(lián)JDK的源碼（筆者所用的是JDK6.0）。

JDK6.0安裝完成后在JDK的根目錄（eg. C:\Java\jdk1.6.0_21）有src.zip目錄。可將該目錄解壓到另一個目錄（eg. D:\amigo\study\技術隨筆\201405）。src.zip中并不包含所有的JDK源代碼，例如sun下面的子包都是不存在src.zip中的（eg. 本文使用的sun.security包及其子包就不在其中）。

         要想下載這些子包，需要下載OpenJDK的源代碼，openjdk是jdk的開放原始碼版本，以GPL協(xié)議的形式放出。在JDK7的時候，openjdk已經(jīng)成為jdk7的主干開 發(fā)，sun jdk7是在openjdk7的基礎上發(fā)布的，其大部分原始碼都相同，只有少部分原始碼被替換掉。使用JRL(JavaResearch License，Java研究授權協(xié)議)發(fā)布。

         OpenJDK的下載地址：http://download.java.net/openjdk/jdk6/

         下載完畢后將解壓后的openjdk-6-src-b27-26_oct_2012\jdk\src\share\classes目錄下的所有的文件和文件夾拷貝到剛才解壓的src目錄下。

         接下來在Eclipse配置關聯(lián)源碼：點擊“Windows”-> “Preferences”，在左側菜單選擇“Java”->“Installed JREs”，若已經(jīng)配置本機的JRE，可以不用配置。若未配置，點擊右側的“Add”按鈕，在彈出的“Add JRE”窗口選擇安裝的JDK6.0的路徑（eg. C:\Java\jdk1.6.0_21）。點擊“OK”按鈕完成JRE的設置。

         選中已設置的JRE，點擊右側的“Edit…”按鈕，在彈出窗口中選擇rt.jar包后，點擊“Source Attachment…”按鈕，在彈出的窗口中點擊“External Folder…”按鈕，將源碼路徑指向剛才src的路徑（eg. D:\amigo\study\技術隨筆\201405）。參見下圖：
      

         點擊“OK”按鈕設置完成后，在其后編寫MD5和SHA的實現(xiàn)時，在調用MessageDigest的相關方法的地方，可使用調試模式F5單步調試查看Java中MD5和SHA單向加密算法實現(xiàn)主要涉及的類。

1.3 JDK中MD5和SHA加密的主要類

         在JDK6.0中，與MD5與SHA密切相關的幾個類的類圖如下：
      
      

         其中“MessageDigestSpi”為頂層抽象類，同一個包下的“MessageDigest”和“DigestBase”為子抽象類。

在上面的類圖中，使用了Delegate（委托）設計模式。這種模式的原理為類B（在此處為Delegage內部類）和類A（在此處為MessageDigestSpi類）是兩個互相沒有什么關系的類，B具有和A一模一樣的方法和屬性；并且調用B中的方法和屬性就是調用A中同名的方法和屬性。B好像就是一個受A授權委托的中介。第三方的代碼不需要知道A及其子類的存在，也不需要和A及其子類發(fā)生直接的聯(lián)系，通過B就可以直接使用A的功能，這樣既能夠使用到A的各種功能，又能夠很好的將A及其子類保護起來了。

         MD5和SHA的相關代碼都在MD5和SHA等類中，但是面向客戶的MessageDigest抽象類不需要跟各個實現(xiàn)類打交道，只要通過委托類與其打交道即可。

2、MD5加密

2.1 概述

Message Digest Algorithm MD5（中文名為消息摘要算法第五版）為計算機安全領域廣泛使用的一種散列函數(shù)，用以提供消息的完整性保護。該算法的文件號為RFC 1321（R.Rivest,MIT Laboratory for Computer Science and RSA Data Security Inc. April 1992）.

MD5的全稱是Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法），在90年代初由MIT Laboratory for Computer Science和RSA Data Security Inc的Ronald L. Rivest開發(fā)出來，經(jīng)MD2、MD3和MD4發(fā)展而來。

MD5用于確保信息傳輸完整一致。是計算機廣泛使用的雜湊算法之一（又譯摘要算法、哈希算法），主流編程語言普遍已有MD5實現(xiàn)。將數(shù)據(jù)（如漢字）運算為另一固定長度值，是雜湊算法的基礎原理，MD5的前身有MD2、MD3和MD4。

MD5的作用是讓大容量信息在用數(shù)字簽名軟件簽署私人密鑰前被"壓縮"成一種保密的格式（就是把一個任意長度的字節(jié)串變換成一定長的十六進制數(shù)字串）。

2.2 算法原理

對MD5算法簡要的敘述可以為：MD5以512位分組來處理輸入的信息，且每一分組又被劃分為16個32位子分組，經(jīng)過了一系列的處理后，算法的輸出由四個32位分組組成，將這四個32位分組級聯(lián)后將生成一個128位散列值。

在MD5算法中，首先需要對信息進行填充，使其位長對512求余的結果等于448。因此，信息的位長（Bits Length）將被擴展至N*512+448，N為一個非負整數(shù)，N可以是零。填充的方法如下，在信息的后面填充一個1和無數(shù)個0，直到滿足上面的條件時才停止用0對信息的填充。然后，在這個結果后面附加一個以64位二進制表示的填充前信息長度。經(jīng)過這兩步的處理，信息的位長=N*512+448+64=(N+1）*512，即長度恰好是512的整數(shù)倍。這樣做的原因是為滿足后面處理中對信息長度的要求。

2.3 Java中的MD5實現(xiàn)

         MD5加密算法的Java實現(xiàn)如下所示：

package amigo.endecrypt;

import java.security.MessageDigest;

/** *//** 
 * 采用MD5加密
 * @author Xingxing,Xie
 * @datetime 2014-5-31 
 */
public class MD5Util {
    /** *//*** 
     * MD5加密 生成32位md5碼
     * @param 待加密字符串
     * @return 返回32位md5碼
     */
    public static String md5Encode(String inStr) throws Exception {
        MessageDigest md5 = null;
        try {
            md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.toString());
            e.printStackTrace();
            return "";
        }

        byte[] byteArray = inStr.getBytes("UTF-8");
        byte[] md5Bytes = md5.digest(byteArray);
        StringBuffer hexValue = new StringBuffer();
        for (int i = 0; i < md5Bytes.length; i++) {
            int val = ((int) md5Bytes[i]) & 0xff;
            if (val < 16) {
                hexValue.append("0");
            }
            hexValue.append(Integer.toHexString(val));
        }
        return hexValue.toString();
    }

    /** *//**
     * 測試主函數(shù)
     * @param args
     * @throws Exception
     */
    public static void main(String args[]) throws Exception {
        String str = new String("amigoxiexiexingxing");
        System.out.println("原始：" + str);
        System.out.println("MD5后：" + md5Encode(str));
    }
}

    測試結果：

原始：amigoxiexiexingxing

MD5后：e9ac094091b96b84cca48098bc21b1d6

3、SHA加密

3.1 概述

SHA是一種數(shù)據(jù)加密算法，該算法經(jīng)過加密專家多年來的發(fā)展和改進已日益完善，現(xiàn)在已成為公認的最安全的散列算法之一，并被廣泛使用。該算法的思想是接收一段明文，然后以一種不可逆的方式將它轉換成一段（通常更小）密文，也可以簡單的理解為取一串輸入碼（稱為預映射或信息），并把它們轉化為長度較短、位數(shù)固定的輸出序列即散列值（也稱為信息摘要或信息認證代碼）的過程。散列函數(shù)值可以說是對明文的一種“指紋”或是“摘要”所以對散列值的數(shù)字簽名就可以視為對此明文的數(shù)字簽名。

         安全散列算法SHA（Secure Hash Algorithm，SHA)是美國國家標準技術研究所發(fā)布的國家標準FIPS PUB 180，最新的標準已經(jīng)于2008年更新到FIPS PUB 180-3。其中規(guī)定了SHA-1，SHA-224，SHA-256，SHA-384，和SHA-512這幾種單向散列算法。SHA-1，SHA-224和SHA-256適用于長度不超過2^64二進制位的消息。SHA-384和SHA-512適用于長度不超過2^128二進制位的消息。

3.2 原理

SHA-1是一種數(shù)據(jù)加密算法，該算法的思想是接收一段明文，然后以一種不可逆的方式將它轉換成一段（通常更小）密文，也可以簡單的理解為取一串輸入碼（稱為預映射或信息），并把它們轉化為長度較短、位數(shù)固定的輸出序列即散列值（也稱為信息摘要或信息認證代碼）的過程。

單向散列函數(shù)的安全性在于其產(chǎn)生散列值的操作過程具有較強的單向性。如果在輸入序列中嵌入密碼，那么任何人在不知道密碼的情況下都不能產(chǎn)生正確的散列值，從而保證了其安全性。SHA將輸入流按照每塊512位（64個字節(jié)）進行分塊，并產(chǎn)生20個字節(jié)的被稱為信息認證代碼或信息摘要的輸出。

該算法輸入報文的長度不限，產(chǎn)生的輸出是一個160位的報文摘要。輸入是按512 位的分組進行處理的。SHA-1是不可逆的、防沖突，并具有良好的雪崩效應。

通過散列算法可實現(xiàn)數(shù)字簽名實現(xiàn)，數(shù)字簽名的原理是將要傳送的明文通過一種函數(shù)運算（Hash）轉換成報文摘要（不同的明文對應不同的報文摘要），報文摘要加密后與明文一起傳送給接受方，接受方將接受的明文產(chǎn)生新的報文摘要與發(fā)送方的發(fā)來報文摘要解密比較，比較結果一致表示明文未被改動，如果不一致表示明文已被篡改。

MAC （信息認證代碼）就是一個散列結果，其中部分輸入信息是密碼，只有知道這個密碼的參與者才能再次計算和驗證MAC碼的合法性。

3.3 Java中的SHA實現(xiàn)

         SHA的在Java的實現(xiàn)與MD5類似，參考代碼如下所示：

package amigo.endecrypt;

import java.security.MessageDigest;

/** *//** 
 * 采用SHAA加密
 * @author Xingxing,Xie
 * @datetime 2014-6-1 
 */
public class SHAUtil {
    /** *//*** 
     * SHA加密 生成40位SHA碼
     * @param 待加密字符串
     * @return 返回40位SHA碼
     */
    public static String shaEncode(String inStr) throws Exception {
        MessageDigest sha = null;
        try {
            sha = MessageDigest.getInstance("SHA");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.toString());
            e.printStackTrace();
            return "";
        }

        byte[] byteArray = inStr.getBytes("UTF-8");
        byte[] md5Bytes = sha.digest(byteArray);
        StringBuffer hexValue = new StringBuffer();
        for (int i = 0; i < md5Bytes.length; i++) {
            int val = ((int) md5Bytes[i]) & 0xff;
            if (val < 16) { 
                hexValue.append("0");
            }
            hexValue.append(Integer.toHexString(val));
        }
        return hexValue.toString();
    }

    /** *//**
     * 測試主函數(shù)
     * @param args
     * @throws Exception
     */
    public static void main(String args[]) throws Exception {
        String str = new String("amigoxiexiexingxing");
        System.out.println("原始：" + str);
        System.out.println("SHA后：" + shaEncode(str));
    }
}

     測試結果如下所示：

原始：amigoxiexiexingxing

SHA后：04f79f496dd6bdab3439511606528a4ad9caac5e

3、SHA-1和MD5的比較

因為二者均由MD4導出，SHA-1和MD5彼此很相似。相應的，他們的強度和其他特性也是相似，但還有以下幾點不同：

1）對強行攻擊的安全性：最顯著和最重要的區(qū)別是SHA-1摘要比MD5摘要長32 位。使用強行技術，產(chǎn)生任何一個報文使其摘要等于給定報摘要的難度對MD5是2^128數(shù)量級的操作，而對SHA-1則是2^160數(shù)量級的操作。這樣，SHA-1對強行攻擊有更大的強度。

2）對密碼分析的安全性：由于MD5的設計，易受密碼分析的攻擊，SHA-1顯得不易受這樣的攻擊。

3）速度：在相同的硬件上，SHA-1的運行速度比MD5慢。

4、參考文檔

      《MD5加密_百度百科》：http://baike.baidu.com/view/1039631.htm?fr=aladdin

      《MD5_百度百科》：http://baike.baidu.com/view/7636.htm?fr=aladdin

《MD5解密網(wǎng)站》：http://www.cmd5.com/

《SHA_百度百科》：

http://baike.baidu.com/link?url=FmqSdqu1CxQXDnQPxCD3hTdepu0RWV6N5dec5ZNWSC_U4WWle4a1h0E6744FnCRI

《加密解密在線測試網(wǎng)站》：http://tripledes.online-domain-tools.com/

Openjdk下載地址：http://download.java.net/openjdk/jdk6/

《OpenJDK和JDK的區(qū)別和聯(lián)系》：http://blog.csdn.net/kiyoki/article/details/8777744