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： 

/** 
 * BASE64解密 
 *  
 * @param key 
 * @return 
 * @throws Exception 
 */  
public static byte[] decryptBASE64(String key) throws Exception {  
    return (new BASE64Decoder()).decodeBuffer(key);  
}  
  
/** 
 * BASE64加密 
 *  
 * @param key 
 * @return 
 * @throws Exception 
 */  
public static String encryptBASE64(byte[] key) throws Exception {  
    return (new BASE64Encoder()).encodeBuffer(key);  
}  

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： 

/** 
 * MD5加密 
 *  
 * @param data 
 * @return 
 * @throws Exception 
 */  
public static byte[] encryptMD5(byte[] data) throws Exception {  
  
    MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance(KEY_MD5);  
    md5.update(data);  
  
    return md5.digest();  
  
}  

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： 

    /** 
     * SHA加密 
     *  
     * @param data 
     * @return 
     * @throws Exception 
     */  
    public static byte[] encryptSHA(byte[] data) throws Exception {  
  
        MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance(KEY_SHA);  
        sha.update(data);  
  
        return sha.digest();  
  
    }  
}  

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： 

/** 
 * 初始化HMAC密钥 
 *  
 * @return 
 * @throws Exception 
 */  
public static String initMacKey() throws Exception {  
    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KEY_MAC);  
  
    SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();  
    return encryptBASE64(secretKey.getEncoded());  
}  
  
/** 
 * HMAC加密 
 *  
 * @param data 
 * @param key 
 * @return 
 * @throws Exception 
 */  
public static byte[] encryptHMAC(byte[] data, String key) throws Exception {  
  
    SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(decryptBASE64(key), KEY_MAC);  
    Mac mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());  
    mac.init(secretKey);  
  
    return mac.doFinal(data);  
  
}  

给出一个完整类，如下： 

import java.security.MessageDigest;  
  
import javax.crypto.KeyGenerator;  
import javax.crypto.Mac;  
import javax.crypto.SecretKey;  
  
import sun.misc.BASE64Decoder;  
import sun.misc.BASE64Encoder;  
  
/** 
 * 基础加密组件 
 *  
 * @author 梁栋 
 * @version 1.0 
 * @since 1.0 
 */  
public abstract class Coder {  
    public static final String KEY_SHA = "SHA";  
    public static final String KEY_MD5 = "MD5";  
  
    /** 
     * MAC算法可选以下多种算法 
     *  
     * <pre> 
     * HmacMD5  
     * HmacSHA1  
     * HmacSHA256  
     * HmacSHA384  
     * HmacSHA512 
     * </pre> 
     */  
    public static final String KEY_MAC = "HmacMD5";  
  
    /** 
     * BASE64解密 
     *  
     * @param key 
     * @return 
     * @throws Exception 
     */  
    public static byte[] decryptBASE64(String key) throws Exception {  
        return (new BASE64Decoder()).decodeBuffer(key);  
    }  
  
    /** 
     * BASE64加密 
     *  
     * @param key 
     * @return 
     * @throws Exception 
     */  
    public static String encryptBASE64(byte[] key) throws Exception {  
        return (new BASE64Encoder()).encodeBuffer(key);  
    }  
  
    /** 
     * MD5加密 
     *  
     * @param data 
     * @return 
     * @throws Exception 
     */  
    public static byte[] encryptMD5(byte[] data) throws Exception {  
  
        MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance(KEY_MD5);  
        md5.update(data);  
  
        return md5.digest();  
  
    }  
  
    /** 
     * SHA加密 
     *  
     * @param data 
     * @return 
     * @throws Exception 
     */  
    public static byte[] encryptSHA(byte[] data) throws Exception {  
  
        MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance(KEY_SHA);  
        sha.update(data);  
  
        return sha.digest();  
  
    }  
  
    /** 
     * 初始化HMAC密钥 
     *  
     * @return 
     * @throws Exception 
     */  
    public static String initMacKey() throws Exception {  
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KEY_MAC);  
  
        SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();  
        return encryptBASE64(secretKey.getEncoded());  
    }  
  
    /** 
     * HMAC加密 
     *  
     * @param data 
     * @param key 
     * @return 
     * @throws Exception 
     */  
    public static byte[] encryptHMAC(byte[] data, String key) throws Exception {  
  
        SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(decryptBASE64(key), KEY_MAC);  
        Mac mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());  
        mac.init(secretKey);  
  
        return mac.doFinal(data);  
  
    }  
}  

再给出一个测试类： 

import static org.junit.Assert.*;  
  
import org.junit.Test;  
  
/** 
 *  
 * @author 梁栋 
 * @version 1.0 
 * @since 1.0 
 */  
public class CoderTest {  
  
    @Test  
    public void test() throws Exception {  
        String inputStr = "简单加密";  
        System.err.println("原文:\n" + inputStr);  
  
        byte[] inputData = inputStr.getBytes();  
        String code = Coder.encryptBASE64(inputData);  
  
        System.err.println("BASE64加密后:\n" + code);  
  
        byte[] output = Coder.decryptBASE64(code);  
  
        String outputStr = new String(output);  
  
        System.err.println("BASE64解密后:\n" + outputStr);  
  
        // 验证BASE64加密解密一致性  
        assertEquals(inputStr, outputStr);  
  
        // 验证MD5对于同一内容加密是否一致  
        assertArrayEquals(Coder.encryptMD5(inputData), Coder  
                .encryptMD5(inputData));  
  
        // 验证SHA对于同一内容加密是否一致  
        assertArrayEquals(Coder.encryptSHA(inputData), Coder  
                .encryptSHA(inputData));  
  
        String key = Coder.initMacKey();  
        System.err.println("Mac密钥:\n" + key);  
  
        // 验证HMAC对于同一内容，同一密钥加密是否一致  
        assertArrayEquals(Coder.encryptHMAC(inputData, key), Coder.encryptHMAC(  
                inputData, key));  
  
        BigInteger md5 = new BigInteger(Coder.encryptMD5(inputData));  
        System.err.println("MD5:\n" + md5.toString(16));  
  
        BigInteger sha = new BigInteger(Coder.encryptSHA(inputData));  
        System.err.println("SHA:\n" + sha.toString(32));  
  
        BigInteger mac = new BigInteger(Coder.encryptHMAC(inputData, inputStr));  
        System.err.println("HMAC:\n" + mac.toString(16));  
    }  
}  

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： 

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。