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大家在做java开发的时候，用户的注册与登录，是一个最常见的功能了，但是就是这个最常见的功能，却隐含了一个很重要的安全性问题，就是用户的密码，如何安全的传输与存储？想解决这个问题，就要首先了解一下常见的加密算法，那我们今天就来讲下java中支持的一些常见的加密算法。注意，我们这里这讲不同的加密算法之间的一些安全性和效率上的差异，以及如何选择使用，不会去讲具体的算法，因为算法比较复杂，我们也不是专门做算法的，了解这些算法的意义也不大，有兴趣的可以自己去了解。

在讲加密算法之前，我们首先要清楚一个事情：这个世界上，并没有什么算法是绝对的安全，任何的加密算法都有被破解的可能。就拿https来说，大家都觉得https应该很安全了吧，但是https也不是绝对的安全，https的安全性，是建立在证书是可信任的前提下。如果黑客伪造了一个非法证书，并且诱导用户安装，客户端浏览器也验证通过，那么它还安全么?

所以我们利用加密算法做加密时，不要奢望可以达到绝对的安全，这个我们永远做不到，我们只能不断的提升安全级别，增大黑客攻击破解的难度和成本。但是这个安全级别，永远都达不到100%

一、什么是密钥、公钥、私钥

在谈到加密算法时，我们经常会听到三个名词：密钥、公钥、私钥。那这三者到底是什么呢？

举个例子，我通过系统，向银行发起一笔转账的请求，为了保证信息不被泄漏，我们通常会对一些关键字段加密，比如银行卡号字段、金额字段等等，或者对整段报文做加密。那我们希望，加密后的内容，只有银行可以解密，其它任何人都不能解密。为什么呢？我们可以想下，如果连银行都不能解密，它就无法知道我要转账的具体信息，自然也就无法转账。如果所有人都可以解密呢，那我们加密就没有意义了，任何的黑客拦截，都能获取到我们的信息，造成信息泄露。

那如何才能做到只有银行可以解密，其他人都不能解密呢？这个问题银行已经帮我们想到了，它会给我们一把钥匙，要求我们利用这把钥匙做加密，加密后的数据，只有利用同样的钥匙才可以解密。而同样的钥匙，只有银行自己有，其他人都没有，这样就达到了这个目的。

那这个钥匙，就是我们常常提到的密钥，在编码的过程中，它就是一段字符串（密钥）而已，银行把这个字符串（密钥）给到我们，我们利用这个字符串（密钥）加密，然后银行再利用这个字符串解密。

那这样其实还有个问题，如果银行在把密钥给我我们的过程中，被别人拦截了，那别人也就拥有了这个密钥。那我们在利用这个密钥加密后，别人也就可以破解了。为了解决这个问题，又引出了公钥和私钥的概念。

私钥，顾名思义，私人的钥匙，只有服务端自己可以拥有。公钥，任何人都可以拥有。公钥和私钥是成对出现的。利用公钥加密的数据，只能由对应的私钥可以做解密。理论上来说，公钥和私钥都可以做加密和解密。但是从实际情况下讲，都是公钥做加密，私钥做解密。因为公钥是对所有人都开发的，如果让私钥加密，公钥解密，那就任何人都可以做解密了，这样就失去加密的意义了。

那如何利用公钥和私钥来解决我们上面提到的问题呢？银行先生成一对公钥和私钥，然后把公钥发给我们，在发给我们的过程中，不需要担心拦截的问题，因为公钥本来就是公开的，任何人都可以拥有。然后我们拿到公钥后，利用公钥做加密，把加密后的数据发送给银行，银行就可以利用私钥解密，在这个过程中，也不需要担心拦截的问题，因为别人手里最多能拿到公钥，公钥是无法解密的。这样就解决了我们上面提到的问题。

但是还有一个问题，在这种模式下，如果黑客拦截了银行的公钥A，然后自己又生成了一对公钥B和私钥B，然后把拦截到的公钥A自己留下，再把自己生成的公钥B发给我们，我们无法知道我们接收到的公钥是银行的还是黑客的。那我们利用公钥B做加密，发送请求，黑客就可以利用私钥B去解密我们的数据了，然后对我们的数据做篡改，对篡改后的数据利用银行的公钥A加密，在发给银行。银行也不知道他接收到的数据，是我们自己发送的，还是黑客发送的，这样仍在会造成安全性问题。

要解决这个问题，就涉及到证书了，我们在这里先不说，我们后面讲到HTTPS的文章，会提到这个问题，这里，我们只需要了解 密钥、公钥、私钥的意义即可。

二、加密算法的分类

加密算法，可以分为不可逆算法和可逆算法，可逆算法又分为对称加密算法和非对称加密算法，具体如下图所示：

二、不可逆加密算法

不可逆加密算法，即只能把明文加密成密文，不能将密文解密成明文。

2.1 不可逆加密算法的特点

1、对于不同长度的明文，都会加密成一个固定长度的密文。

2、对明文数据进行任何改动，哪怕只变得1个字节，所得到的密文都有很大区别。

2.2 不可逆算法的应用场景

1、密码等无需解密的字段的存储。因为像密码这样的字段，为了安全，不可能以明文的方式存储到数据库，都是用加密后的密文存储到数据库。用户登录验证密码时，只需要对传过来的密码做一次同样的加密计算，然后直接比较加密后的密文即可。

2、报文签名。报文签名的作用是为了检查报文是否有在传输的途中被篡改，这种场景也无需解密，在验签时，将签名数据的明文，用同样的算法做一次加密运算，然后直接拿密码数据与签名数据做对比即可。

2.3 MD5加密，SHA家族系列加密对比

不可逆加密算法，主要包括：MD5加密，SHA家族系列加密（包括SHA1、SHA2，其中SHA2又包括SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512）、HMAC算法。

这里我们先不讲HMAC，先讲MD5和SHA。

从效率上来讲：MD5 > SHA1 > SHA-224 > SHA-256 > SHA-384 > SHA-512

从安全性上来讲正好相反：MD5 < SHA1 < SHA-224 < SHA-256 < SHA-384 < SHA-512

效率上，我们可以写个例子测试下，如下代码中的例子，测试下加密一千万次，每种算法花费的时间：

我们再看下运行结果，如下图所示：

可以看到，MD5的效率是最高的，SHA1到SHA-512的效率依次降低。

我们再来讲下安全性，提到安全性，我们首先要知道暴力破解密码的方式，一般有两种：

1、穷举法。穷举法就是不停的尝试各种字符的排列组合，看哪个组合的加密后的值能和要破解的值对上。但是这种方式耗费时间，假如一个密码只能由8位的数字和大小写组成，那它的排列方式就有62的8次方种，恐怕破解几年都破解不完。所以一般不会采用这种方式。

2、字典法。这种方法是把所有的密文和与其对应的明文，以映射表的形式存储起来。破解时，直接根据密文去表中对应的明文。这种方法一般是比较常用的。

那么对于第二种字典法破解，我们如果想增大它的破解难度，就是让这个映射表变大，表越大，它查找的就越慢，破解的难度也就越大。那这个映射表怎么才能变大呢？当然是密文的长度越长，它的表就越大了。

下面的表格是每种算法加密后生成的bit数和转换成16进制的长度：

由此可见，MD5生成的密文长度是最短的，所以它的安全性是最低的，SHA-1到SHA-512生成的密码长度依次变长，所以安全性依次升高。

目前来讲，由于MD5算法和SHA-1算法的安全性太低，所以现在基本不会用了。从安全性和效率上来综合考虑，目前用的最多的是SHA-256算法。

2.4 加密算法加盐

当然了，暴力破解的难度，不仅和选择的算法有关，也和明文的复杂程度有关，复杂度越低，就越容易破解。为了解决这个问题，通常会对明文做加盐处理，加盐，即通过生成一个随机的字符串，与明文拼接到一起，使明文变得更加复杂，这样就增大了暴力破解的难度。

如下图所示，我们加密的明文很简单，就是123456，然后我们用MD5加密，得出加密后的密文。

那我们再把得到的密文，随便拿到一个破解MD5的网站，都能破解出来，如下图：

那我们在给这个明文加上盐呢，代码和运行结果如下图所示：

这时再把得到的密文去网站上解密，发现已经无法破解成功了，如下如所示：

我们可以看到，加盐后的明文做加密，已经很难破解了，这样又提高了安全性。但是我们要注意的是，要把每次随机生成的盐记录下来，便于后面做校验时用。

2.5 HMAC算法

这里为什么要把HMAC算法拿出来单独说呢？因为HMAC算法是在基于其它不可逆加密算法（MD5、SHA、或者其他，后面简称为S）的基础上，又利用密钥，做的加密。所以它的效率和安全性，是和S密切相关的，效率上来讲，因为它的运算更加复杂，所以它要比S的效率稍慢，但是安全性上来讲，因为它涉及到了密钥，所以它要比S的安全性更高。

HMAC加密算法有很多种，每种加密算法的命名，就是HMAC+它选择的不可加密算法，例如：HmacMD5、HmacSHA1、HmacSHA256等等。

如下图所示，用的HmacSHA256做加密的代码及计算结果：

看到这里，大家有没有觉得，HMAC的加密方式，与我们上面说的加盐的方式是有些类似的，可以把密钥理解为我们提到的盐，只不过它的计算逻辑要比加盐复杂的多，安全性也更高，但是思想都是一致，都是把明文变得越来越复杂，提升它的破解难度。

是要依托于其它不可逆加密算法（MD5、SHA、或者其他）才能实现的。如果它依托于MD5算法，那它的算法名称就是HmacMD5,依托于SHA-1，它的算法名称就是HmacSHA1...以此类推。

HMAC更适合做报文的签名。因为如果单纯的用MD5或者SHA签名的话，如果报文被黑客篡改了，黑客知道你这个加密算法，那么黑客就可以利用它修改后的报文做一个签名，这种情况下验签也会成功的。但是用HMAC的话就不会有这个问题，黑客拦截并篡改报文后，它即使知道用的HMAC算法做的签名，但是它不知道密钥，所以也无法做签名，这样就提升了安全性。

三、可逆加密算法

可逆加密算法，即可以通过密文解密出明文，它又分为对称加密和非对称加密。

3.1 对称加密和非对称加密的区别

1、对称加密算法，加密和解密时，用的是同一把密钥，而非对称加密算法，加密和解密用的是不同的密钥。

2、对称加密的效率较高，但是安全性较差。非对称加密的效率较差，但是安全性更高。

3.2 对称加密

为什么说对称加密的安全性较差呢？因为对称加密在加密和解密用的是同一把密钥，所以会涉及到密钥的传输，一旦密钥在传输的过程中被拦截，那就任何的加密信息都可以破解了。

常用的加密算法有DES、3DES、AES三种，其中3DES是在基于DES的基础上做的升级，它的安全性要比DES更高，但是效率较差。而AES算法，它的效率是最快的，安全性也是最高的，所以它目前是被广泛应用的。所以我们这里只来讲AES，不再讲DES和3DES。

3.2.1 AES加密

我们先来看下如何使用AED加解密，如下如代码所示：

我们再来看下它的执行结果，如下图所示：

我们可以看到，这个结果其实是有些怪异的，我们用同样的密钥，同样的明文，做了三次加密，每次加密的结果竟然都是不同的，但是每次解密出来的结果还是相同的，这个是怎么做到的呢？

我们看到，在加密的代码里，有这样一行代码：Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); 这个方法的参数中，利用/将参数值分割成了三部分。这三部分分别为算法名称、工作模式、填充方式。下面我们分别来讲一下这三部分的含义

算法名称。这个比较简单，因为我们现在想要AES算法，所以这里就填AES，如果你想使用其它算法，你也可以写DES，3DES等等。

工作模式。AES加密方式，属于分组加密方式，它先将明文按照一定的长度做分组，得到明文组，然后通过对明文组做加密。那么工作模式的含义，就是如何对明文组做加密。

工作模式有六种：ECB、CBC、PCBC、CFB、OFB、CTR。但是最常用的只有前两种ECB和CBC，我们在这里也只介绍前两种，其他的如果有兴趣可以自己了解。

ECB模式：这种方式是将每个明文组做单独的加密运算，然后将每个组的计算结果拼接起来，得到最终的结果。由于组与组之间是互相独立的，没有联系，所以它做加密计算时，可以并行计算，效率较高。但是同时安全性也较差。

CBC模式：每个明文块先与前一个密文块进行异或后，再进行加密。但是第一个明文块与谁做加密呢，这时我们需要引入一个向量IV，让第一个明文块与向量IV做异或。这种方式下，每个明文的加密，都要依赖于前一个明文组加密的结果，所以它无法做并行计算，效率也会稍差一些。但是安全性会更高一些。

我们的例子中，就是因为使用了CBC模式，引入了向量IV，但是每次的向量IV都是不同的，所以每次加密时，虽然使用了相同的明文和密钥，计算出来的结果还是不同的。

填充方式。在对明文分组时，如果最后一组的长度不足要求的长度，这个时候需要对明文做填充，填充方式有下面几种：

No Padding：不填充，要求明文的长度，必须是加密算法分组长度的整数倍。

ANSI X9.23：在填充字节序列中，最后一个字节填充为需要填充的字节长度，其余字节填充0。例如需要填充4个字节，则填充00 00 00 04

ISO 10126：在填充字节序列中，最后一个字节填充为需要填充的字节长度，其余字节填充随机数。例如需要填充4个字节，则填充98 A3 B2 04，其中98 A3 B2是随机的。

PKCS#5和PKCS#7：在填充字节序列中，每个字节填充为需要填充的字节长度。例如需要填充4个字节，则填充04 04 04 04。这种是用的比较多的。

SO/IEC 7816-4：在填充字节序列中，第一个字节填充固定值80，其余字节填充0。若只需填充一个字节，则直接填充80。例如需要填充4个字节，则填充80 00 00 00

Zero Padding：在填充字节序列中，每个字节填充为0。例如需要填充4个字节，则填充00 00 00 00

最后说下，AES加密可支持128位、192位和256位的密钥长度，密钥长度越长，安全性越高，但是运算起来也会更加复杂，效率也会随之下降。

3.3 非对称加密

非对称加密算法，加密和解密用的不是同一个密钥。服务方首先会生成一对公钥和私钥，然后私钥自己留下，把公钥发给使用者。因为它不会涉及到私钥的网络传输，所以它比对称加密的安全性更高，但是效率要比对称加密差一些。

非对称加密主要包括RSA加密和ECC加密，我们先来说下RSA加密。

3.3.1 RSA加密

我们先来看下如何使用RSA加解密，如下如代码所示：

我们再来看下运行结果：

我们可以看到，是可以正常的加解密的。

我们再把待加密的明文变长一些，如下图所示：

我们再来看下运行结果：

我们看到，此时报了个异常，异常信息为：待加密数据不能超过117位。这是为什么呢？

RSA 算法一次能加密的明文长度与密钥长度是相同的，如上面中的例子所示，我们生成了一个1024位的密钥，那么RSA可加密的明文长度最大是 1024 位。如果小于这个长度，就需要对明文做补齐。

但是在做补齐的时候，补齐的数据就要占用实际的明文长度。对于 1024 位（128个字节）密钥对而言，如果使用默认的补齐方式（RSA_PKCS1_PADDING），此种方式会占用11个字节，所以明文长度最多为 128 - 11 = 117 字节，所以上面的例子中，才会报待加密数据不能超过117位的异常。

所以我们在做加密之前，首先要判断明文数据+补齐数据的长度，是否会超过密钥的长度，如果超过了，就需要做分段加解密。我们先来看下分段加解密的代码，如下图所示：

我们再来看下运行结果：

我们看到，用分段加解密计算出来的结果，就是正确的了。

我们在来看下RSA的各种补齐方式，对明文长度的要求，如下表所示：

3.3.2 DH密钥交换算法

好多人都把DH算法归结到非对称加密算法当中，但是我的个人理解，DH其实并不是一种加密算法，它只是密钥交换的算法。

我们知道，非对称加密的安全性高，但是效率慢。对称加密的效率高，但是安全性又低。那DH算法，就是通过交换密钥的方式，来达到安全性高而且效率又高的目的。

它的操作流程是这样的，假设A和B之间互相通信。

1、A生生成一对非对称密钥，我们记为公钥A、私钥A

2、A将生成的公钥A发送给B

3、B接收到公钥A后，利用公钥A又生成了一对非对称密钥，我们即为公钥B、私钥B

4、B将公钥B发送给A

5、A接收到公钥B后，利用私钥A和公钥B，生成一个对称密钥

6、B也利用私钥B和公钥A生成一个对称密钥

在最后的两步中，A生成的对称密钥和B生成的对称密钥是相同的，那后面就可以用这个对称密钥对传输的数据做加解密了。而且在这个过程中，只有公钥会在网络中传输，私钥和对称密钥都没有在网络中传输，没有被拦截的可能，所以这样即保证了安全性，又提高了效率。

3.3.2 ECC加密

ECC加密算法与RSA加密算法相比，它的安全性和效率都要比RSA高很多。只不过ECC作为新一代的主流的非对称加密算法，兼容性方面还没有普及。所以目前用的最广泛的就是RSA算法。

而且JDK也是不支持ECC算法的，如果想要在java是使用ECC算法，还需要下载第三方包。这里我们就先不讲了。

四、我是如何做密码的传输与存储的

上面我们讲完了常见的加密算法，我们在回到开篇提到的问题，在用户的注册与登录的过程中，用户的密码是如何传输与存储的。

我是这样做的，首先在传输的过程中，用的的RSA非对称加密，来保证传输过程中的安全性。在后端会开放一个接口，用来获取RSA的公钥，前端通过这个接口，获取公钥，对密码加密，后端在接收时，再利用对应的私钥对其解密。

然后在存储时，我们首先生成一个2~5的随机数n，这个n代码加密的次数，然后在随机生成n个16位的字符串，s1~sn。让明文密码首先与s1做一次异或运算，对得到的结果对SHA-256加密，然后对加密的结果，在与s2做异或，对异或的结果在做SHA-256加密，这样重复n次，得到的结果就是最终加密的结果，然后把加密的结果存储到数据库中。

至此，我们就讲完了java中支持的一些比较常见的加密算法以及使用，下一篇文章，我们会继续讲 java中的加密体系架构之JCA和JCE。

往期精彩：

分布式锁第一篇：分布式锁的背景

分布式锁第二篇：redisson分布式锁的使用以及可重入性

分布式锁第三篇：redisson分布式锁的可重试性以及看门狗源码解析

分布式锁第四篇：redisson分布式锁的联锁、红锁、公平锁、读写锁

作者介绍：

贠学文，具有多年经验的java开发工程师，业余时间利用头条分享技术知识点与自己对技术的感悟，帮助对自己未来感到迷茫的程序员，在技术上得到提升。结识一些志同道合的朋友，相互促进，共同进步。