常用加密算法的Java實現(一)——單向加密算法MD5和SHA

1、Java的安全體系架構

1.1           Java的安全體系架構介紹

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

JDK 1.1 中第一次發佈的 JDK 安全中引入了“Java 加密體系結構”(JCA)，指的是用於訪問和開發 Java 平臺密碼功能的構架。在 JDK 1.1 中，JCA 包括用於數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，併爲劃分細緻、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範。爲實現多重、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，包括用於加密、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 作爲 JDK 的擴展將獨立發佈，以符合美國的出口控制約束。

1.2 在Eclipse中關聯JDK的源碼

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

JDK6.0安裝完成後在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中並不包含所有的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協議的形式放出。在JDK7的時候，openjdk已經成爲jdk7的主幹開 發，sun jdk7是在openjdk7的基礎上發佈的，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研究授權協議)發佈。

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

         下載完畢後將解壓後的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纔解壓的src目錄下。

         接下來在Eclipse配置關聯源碼：點擊“Windows”-> “Preferences”，在左側菜單選擇“Java”->“Installed JREs”，若已經配置本機的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包後，點擊“Source Attachment…”按鈕，在彈出的窗口中點擊“External Folder…”按鈕，將源碼路徑指向剛纔src的路徑（eg. D:\amigo\study\技術隨筆\201405）。參見下圖：
       

         點擊“OK”按鈕設置完成後，在其後編寫MD5和SHA的實現時，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”爲頂層抽象類，同一個包下的“MessageDigest”和“DigestBase”爲子抽象類。

在上面的類圖中，使用了Delegate（委託）設計模式。這種模式的原理爲類B（在此處爲Delegage內部類）和類A（在此處爲MessageDigestSpi類）是兩個互相沒有什麼關係的類，B具有和A一模一樣的方法和屬性；並且調用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授權委託的中介。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及其子類發生直接的聯繫，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類打交道，只要通過委託類與其打交道即可。

2、MD5加密

2.1 概述

Message Digest Algorithm MD5（中文名爲消息摘要算法第五版）爲計算機安全領域廣泛使用的一種散列函數，用以提供消息的完整性保護。該算法的文件號爲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開發出來，經MD2、MD3和MD4發展而來。

MD5用於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。將數據（如漢字）運算爲另一固定長度值，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串變換成一定長的十六進制數字串）。

2.2 算法原理

對MD5算法簡要的敘述可以爲：MD5以512位分組來處理輸入的信息，且每一分組又被劃分爲16個32位子分組，經過了一系列的處理後，算法的輸出由四個32位分組組成，將這四個32位分組級聯後將生成一個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求餘的結果等於448。因此，信息的位長（Bits Length）將被擴展至N*512+448，N爲一個非負整數，N可以是零。填充的方法如下，在信息的後面填充一個1和無數個0，直到滿足上面的條件時才停止用0對信息的填充。然後，在這個結果後面附加一個以64位二進制表示的填充前信息長度。經過這兩步的處理，信息的位長=N*512+448+64=(N+1）*512，即長度恰好是512的整數倍。這樣做的原因是爲滿足後面處理中對信息長度的要求。

2.3 Java中的MD5實現

         MD5加密算法的Java實現如下所示：

package amigo.endecrypt;

import java.security.MessageDigest;

/** 
 * 採用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
     * @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後：" + md5Encode(str));
    }
}

    測試結果：

原始：amigoxiexiexingxing

MD5後：e9ac094091b96b84cca48098bc21b1d6

 

3、SHA加密

3.1 概述

SHA是一種數據加密算法，該算法經過加密專家多年來的發展和改進已日益完善，現在已成爲公認的最安全的散列算法之一，並被廣泛使用。該算法的思想是接收一段明文，然後以一種不可逆的方式將它轉換成一段（通常更小）密文，也可以簡單的理解爲取一串輸入碼（稱爲預映射或信息），並把它們轉化爲長度較短、位數固定的輸出序列即散列值（也稱爲信息摘要或信息認證代碼）的過程。散列函數值可以說是對明文的一種“指紋”或是“摘要”所以對散列值的數字簽名就可以視爲對此明文的數字簽名。

         安全散列算法SHA（Secure Hash Algorithm，SHA)是美國國家標準技術研究所發佈的國家標準FIPS PUB 180，最新的標準已經於2008年更新到FIPS PUB 180-3。其中規定了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適用於長度不超過2^64二進制位的消息。SHA-384和SHA-512適用於長度不超過2^128二進制位的消息。

3.2 原理

SHA-1是一種數據加密算法，該算法的思想是接收一段明文，然後以一種不可逆的方式將它轉換成一段（通常更小）密文，也可以簡單的理解爲取一串輸入碼（稱爲預映射或信息），並把它們轉化爲長度較短、位數固定的輸出序列即散列值（也稱爲信息摘要或信息認證代碼）的過程。

單向散列函數的安全性在於其產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，那麼任何人在不知道密碼的情況下都不能產生正確的散列值，從而保證了其安全性。SHA將輸入流按照每塊512位（64個字節）進行分塊，併產生20個字節的被稱爲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、防衝突，並具有良好的雪崩效應。

通過散列算法可實現數字簽名實現，數字簽名的原理是將要傳送的明文通過一種函數運算（Hash）轉換成報文摘要（不同的明文對應不同的報文摘要），報文摘要加密後與明文一起傳送給接受方，接受方將接受的明文產生新的報文摘要與發送方的發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

         SHA的在Java的實現與MD5類似，參考代碼如下所示：

package amigo.endecrypt;

import java.security.MessageDigest;

/** 
 * 採用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
     * @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後：" + shaEncode(str));
    }
}

     測試結果如下所示：

原始：amigoxiexiexingxing

SHA後：04f79f496dd6bdab3439511606528a4ad9caac5e

3、SHA-1和MD5的比較

因爲二者均由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別是SHA-1摘要比MD5摘要長32 位。使用強行技術，產生任何一個報文使其摘要等於給定報摘要的難度對MD5是2^128數量級的操作，而對SHA-1則是2^160數量級的操作。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：由於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站》：http://tripledes.online-domain-tools.com/

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

《OpenJDK和JDK的區別和聯繫》：http://blog.csdn.net/kiyoki/article/details/8777744