加密算法的分类与常见算法详解

加密算法分对称加密和非对称算法，其中对称加密算法的加密与解密密钥相同，非对称加密算法的加密密钥与解密密钥不同，此外，还有一类不需要密钥的散列算法。

常见的对称加密算法主要有DES、3DES、AES等，常见的非对称算法主要有RSA、DSA等，散列算法主要有SHA-1、MD5等。

对称算法又可分为两类。一次只对明文中的单个位(有时对字节)运算的算法称为序列算法或序列密码。另一类算法是对明文的一组位进行运算(即运算之前将明文分为若干组，然后分别对每一组进行运算，这些位组称为分组)，相应的算法称为分组算法或分组密码。

DES加密算法

DES加密算法是一种分组密码，以64位为分组对数据加密，它的密钥长度是56位，加密解密用同一算法。DES加密算法是对密钥进行保密，而公开算法，包括加密和解密算法。这样，只有掌握了和发送方相同密钥的人才能解读由DES加密算法加密的密文数据。因此，破译DES加密算法实际上就是搜索密钥的编码。对于56位长度的密钥来说，如果用穷举法来进行搜索的话，其运算次数为2的56次方。

3DES(Triple DES)

是基于DES的对称算法，对一块数据用三个不同的密钥进行三次加密，强度更高;

AES加密算法

AES加密算法是密码学中的高级加密标准，该加密算法采用对称分组密码体制，密钥长度的最少支持为128、192、256，分组长度128位，算法应易于各种硬件和软件实现。这种加密算法是美国联邦政府采用的区块加密标准，AES标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。

RSA加密算法

RSA加密算法是目前最有影响力的公钥加密算法，并且被普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。RSA是第一个能同时用于加密和数字签名的算法，它能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。RSA加密算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。

DSA加密算法

DSA是基于整数有限域离散对数难题的，DSA的一个重要特点是两个素数公开，这样，当使用别人的p和q时，即使不知道私钥，你也能确认它们是否是随机产生的，还是作了手脚。这一点，RSA算法做不到。

相比于RSA，DSA 只用于签名，而 RSA 可用于签名和加密。

Base64加密算法

Base64加密算法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编码可用于在HTTP环境下传递较长的标识信息。

MD5加密算法

MD5为计算机安全领域广泛使用的一种散列函数，用以提供消息的完整性保护。

MD5被广泛用于各种软件的密码认证和钥匙识别上。MD5用的是哈希函数，它的典型应用是对一段信息产生信息摘要，以防止被篡改。MD5的典型应用是对一段Message产生fingerprin指纹，以防止被“篡改”。如果再有—个第三方的认证机构，用MD5还可以防止文件作者的“抵赖”，这就是所谓的数字签名应用。MD5还广泛用于操作系统的登陆认证上，如UNIX、各类BSD系统登录密码、数字签名等诸多方。

SHA1加密算法

SHA1是和MD5一样流行的消息摘要算法。SHA加密算法模仿MD4加密算法。

SHA1主要适用于数字签名标准里面定义的数字签名算法。对于长度小于2“64位的消息，SHA1会产生一个160位的消息摘要。当接收到消息的时候，这个消息摘要可以用来验证数据的完整性。在传输的过程中，数据很可能会发生变化，那么这时候就会产生不同的消息摘要。SHA1不可以从消息摘要中复原信息，而且两个不同的消息不会产生同样的消息摘要。这样，SHA1就可以验证数据的完整性，所以说SHA1是为了保证文件完整性的技术。

SHA1是一种比MD5的安全性强的算法，理论上，凡是采取“消息摘要”方式的数字验证算法都是有“碰撞”的——也就是两个不同的东西算出的消息摘要相同，互通作弊图就是如此。但是安全性高的算法要找到指定数据的“碰撞”很困难，而利用公式来计算“碰撞”就更困难一目前为止通用安全算法中仅有MD5被破解。

加密算法的分类

加密算法可以根据不同的标准进行分类，比如根据密钥的使用方式、加密和解密过程是否可逆等。以下是一些主要的分类方式：

1. 对称加密与非对称加密

对称加密(Symmetric Encryption)：加密和解密使用相同的密钥。这种加密方式运算速度快，但密钥的分发和管理比较困难。常见的对称加密算法有AES、DES、3DES等。

非对称加密(Asymmetric Encryption)：使用一对密钥，即公钥和私钥。公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。非对称加密安全性更高，但加密和解密速度相对较慢。常见的非对称加密算法有RSA、ECC(椭圆曲线加密)等。

2. 块加密与流加密

块加密(Block Cipher)：将明文分成固定大小的块，每个块独立加密。块加密算法适合加密大量数据，常见的块加密算法有AES、DES等。

流加密(Stream Cipher)：逐字节或逐位地加密明文。流加密算法适合加密流式数据，如实时通信。常见的流加密算法有RC4等。

3. 可逆加密与不可逆加密

可逆加密(Reversible Encryption)：加密后的密文可以通过解密算法还原成原始明文。对称加密和非对称加密都属于可逆加密。

不可逆加密(Irreversible Encryption)：加密后的密文无法(或极难)通过解密算法还原成原始明文。常见的不可逆加密算法有MD5、SHA系列等，它们通常用于数据完整性校验和密码存储。

常见加密算法

1. AES(Advanced Encryption Standard)

AES加密算法是一种广泛使用的对称加密算法，它提供了128位、192位和256位三种密钥长度选项，以适应不同的安全需求。AES在加密过程中，将明文分成固定大小的块，并使用密钥对每个块进行加密。由于AES算法具有高效、安全、灵活等优点，它已被广泛应用于各种安全场景，如网络通信、数据存储等。

在Java中，可以使用javax.crypto.Cipher类来实现AES加密和解密。你需要指定加密算法、工作模式、填充方式等参数，并提供密钥和初始化向量(IV)来进行加密和解密操作。

2. RSA(Rivest-Shamir-Adleman)

RSA是一种经典的非对称加密算法，它基于大数分解问题的困难性来实现安全性。在RSA加密算法中，公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。由于公钥和私钥之间存在数学关系，使得只有私钥才能解密由公钥加密的数据，反之亦然。因此，RSA算法具有很高的安全性。

3. ECC(Elliptic Curve Cryptography)

ECC是一种基于椭圆曲线数学的公钥加密技术。与RSA相比，ECC在提供相同安全性能的情况下，所需的密钥长度更短，因此加密和解密速度更快。这使得ECC更适合于移动设备和嵌入式系统等资源受限的环境。

在Java中，可以使用Bouncy Castle等第三方库来支持ECC加密算法。这些库提供了丰富的API和工具类，使得在Java中实现ECC加密和解密变得相对简单。

4. DES(Data Encryption Standard)和3DES

DES是一种较早的对称加密算法，它使用56位密钥对64位明文进行加密。然而，由于DES的密钥长度较短，容易受到暴力破解攻击，因此现在已经不再安全。为了增强安全性，人们提出了3DES加密算法，它使用三个不同的密钥对明文进行三次DES加密操作。这样可以提高密钥长度和算法复杂度，从而增强安全性。

尽管3DES比DES更安全，但由于其加密和解密速度较慢，且密钥管理较复杂，因此在一些高性能和安全要求较高的场景中，AES通常是更好的选择。

5. 哈希算法和消息认证码(MAC)算法

除了对称加密和非对称加密算法外，Java还支持哈希算法和消息认证码(MAC)算法。这些算法通常用于数据完整性校验和密码存储等场景。

5.1. 哈希算法(如MD5、SHA系列)

哈希算法将任意长度的消息映射为固定长度的哈希值。哈希算法具有不可逆性，即无法通过哈希值还原出原始数据。这使得哈希算法在密码存储和验证等场景中非常有用。常见的哈希算法包括MD5、SHA-1、SHA-256等。然而，需要注意的是，MD5和SHA-1已经被证明存在安全漏洞，因此在需要高安全性的场景下应使用更安全的哈希算法(如SHA-256或SHA-3)。

在Java中，可以使用java.security.MessageDigest类来计算哈希值。你需要指定要使用的哈希算法，并提供要计算哈希值的原始数据。然后，MessageDigest类会计算出相应的哈希值并返回给你。

5.2. 消息认证码(MAC)算法(如HmacMD5、HmacSHA1等)

消息认证码(MAC)算法使用一个密钥和一条消息生成一个固定长度的MAC值。MAC算法通常用于消息的完整性和真实性验证。与哈希算法不同，MAC算法需要一个密钥来生成MAC值。这意味着只有知道密钥的人才能验证消息的完整性和真实性。常见的MAC算法包括HmacMD5、HmacSHA1等。这些算法结合了哈希函数和密钥加密技术来提供更高的安全性。在Java中，可以使用javax.crypto.Mac类来实现MAC算法的计算和验证操作。你需要指定要使用的MAC算法、提供密钥和消息数据，并调用相应的方法来生成或验证MAC值。

3️⃣加密算法的选择

实际应用中，选择适合的加密算法非常重要。你需要根据具体的安全需求和性能要求来选择合适的加密算法和密钥管理方案。以下是一些建议：

对于需要加密大量数据且对性能要求较高的场景，可以选择对称加密算法(如AES)。对称加密算法加密和解密速度快，适合处理大量数据。但是，需要注意密钥的分发和管理问题，确保密钥的安全性。

对于密钥分发和管理较困难的场景，可以选择非对称加密算法(如RSA)。非对称加密算法使用公钥和私钥进行加密和解密操作，公钥可以公开分发，私钥由用户自己保管。这样可以降低密钥泄露的风险。但是，非对称加密算法加密和解密速度较慢，不适合处理大量数据。因此，在实际应用中，通常将对称加密算法和非对称加密算法结合使用，以实现更高的安全性和性能。例如，可以使用非对称加密算法来加密对称加密算法的密钥(称为会话密钥)，然后使用对称加密算法来加密实际的数据。这样既可以利用对称加密算法的高性能特点，又可以确保密钥的安全性。

对于需要验证数据完整性和真实性的场景，可以选择哈希算法或消息认证码(MAC)算法。哈希算法可以用于生成数据的数字指纹(哈希值)，用于验证数据的完整性;MAC算法可以用于生成消息的认证码(MAC值)，用于验证消息的真实性和完整性。这些算法可以帮助你确保数据在传输和存储过程中没有被篡改或伪造。

在选择加密算法时，还需要考虑算法的安全性、性能、兼容性等因素。应选择经过广泛验证和认可的算法，并避免使用已经被证明存在安全漏洞的算法(如MD5、SHA-1等)。同时，还需要关注加密算法的实现细节和可能的安全漏洞，以确保数据的安全性。

最后，需要注意的是，加密算法只是保障数据安全的一种手段之一。在实际应用中，还需要结合其他安全措施(如访问控制、身份验证、数据备份等)来共同保障数据的安全性。

基本原理

3DES通过使用三个不同的密钥(K1, K2, K3)进行三次加密操作，或者在某些情况下，为了减少密钥管理的复杂度，也可以使用两个密钥，其中一个密钥被重复使用两次(K1, K2=K1, K3)。它提供了两种操作模式：

三密钥模式(3-key，也称作3TDEA)

加密过程：C = E(K3, D(K2, E(K1, P)))解密过程：P = D(K1, E(K2, D(K3, C)))在这种模式下，使用三个不同的密钥，提供最大的安全性。

两密钥模式(2-key，也称作2TDEA或EDE)

加密过程：C = E(K2, D(K1, E(K2, P))) 或 C = E(K1, D(K2, E(K1, P)))解密过程与加密过程相反，确保了加密和解密的可逆性。

在这种模式下，K1和K3是相同的，减少了密钥管理负担，但安全性略低于三密钥模式。

密钥长度

原始的DES算法使用56位密钥，因此3DES在三密钥模式下提供168位的密钥长度，但实际上，由于密钥之间存在一定的冗余，其有效密钥长度为112位。在两密钥模式下，有效密钥长度为112位，因为K1和K3相同。

安全性与应用

3DES最初设计来替代安全性受到质疑的DES算法。在一段时间内，3DES因其较高的安全性被广泛应用于金融行业、网络通信等领域。然而，随着时间推移和技术进步，特别是随着AES(Advanced Encryption Standard)的出现，3DES由于其较慢的处理速度和逐渐降低的安全边际(相比AES-256)，已被许多新系统弃用或计划淘汰。

注意事项

性能: 由于执行三次加密操作，3DES比单次DES或AES等算法在计算上更为耗时。

安全性: 尽管3DES在历史上被认为是安全的，但现代安全标准和建议已经开始推荐使用AES等更现代、更快且更安全的算法。

合规性: 许多安全标准和法规已不再推荐或禁止使用3DES，特别是在需要高安全性的应用场景中。

综上所述，虽然3DES在过去是一种可靠的加密选择，但考虑到当前的安全标准和计算能力的发展，建议评估并转向更先进的加密算法，如AES。

0x02：AES

AES(Advanced Encryption Standard，高级加密标准)是一种对称加密算法，它被广泛用于各种安全领域，包括网络安全、文件加密、磁盘加密等。相比RSA这样的非对称加密算法，AES在加解密速度上有着显著的优势，特别适合于大量数据的快速加密处理。AES的设计基于字节代换、行移位、列混淆和轮密钥加等操作，其安全性依赖于密钥长度和算法的复杂性。

AES的特点

安全性：AES支持128、192和256位密钥长度，分别对应AES-128、AES-192、AES-196，其中AES-256提供了最高级别的安全性。

块大小：AES固定使用128位的数据块大小进行加密操作。

轮数：根据密钥长度不同，AES的加密轮数也不同，AES-128有10轮，AES-192有12轮，AES-256有14轮。

对称性：AES算法使用相同的密钥进行加密和解密，这要求密钥在通信双方之间安全地共享。

加密解密流程

AES加密和解密过程都包括几个主要步骤，如AddRoundKey(轮密钥加)、SubBytes(字节代换)、ShiftRows(行移位)、MixColumns(列混淆)。解密过程是加密过程的逆运算，除了在某些步骤上的顺序和操作略有不同(例如，MixColumns在解密时变为InvMixColumns)。