常用的三种加密算法

加密算法的主要类型

加密算法用于保护数据的机密性，确保信息在传输或存储过程中不被未授权方访问。根据密钥的使用方式，加密算法主要分为两大类：对称加密和非对称加密。此外，哈希函数虽然不直接用于加密，但在加密系统中扮演重要角色（如数据完整性验证）。下面我将逐步介绍这些类型，包括常见算法和基本原理，帮助您全面理解。

1. 对称加密算法

对称加密算法使用同一个密钥进行加密和解密操作。这意味着发送方和接收方必须安全地共享该密钥。对称加密通常高效快速，适合处理大量数据，但密钥管理是主要挑战（例如，如何安全分发密钥）。

• 常见算法：

  • AES（高级加密标准）：目前最广泛使用的对称加密算法，支持128位、192位或256位密钥长度。它基于置换和置换网络，安全性高。
  • DES（数据加密标准）：一种较旧的算法，使用56位密钥，但由于密钥长度较短，已不再安全，常被3DES替代。
  • 3DES（三重DES）：DES的增强版，通过三次应用DES提高安全性，但速度较慢。
  • Blowfish：一种快速且灵活的算法，支持可变密钥长度，常用于文件加密。

• 数学表示：
  设$K$为共享密钥，$P$为明文，$C$为密文。
  加密过程：$C=E_K(P)$
  解密过程：$P=D_K(C)$
  其中$E_K$和$D_K$表示基于密钥$K$的加密和解密函数。

• 对称加密算法（AES）Java实现：
  AES是一种分组密码算法，处理固定长度的数据块（通常为128位）。
  密钥长度支持128位、192位或256位，分别对应AES-128、AES-192和AES-196。加密过程包括多个轮（rounds），轮数取决于密钥长度：例如，AES-128有10轮。以下是完整的AES算法实现示例：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;public class AESEncryption {// 加密方法public static String encrypt(String plainText, String secretKey) throws Exception {// 生成128位密钥byte[] keyBytes = secretKey.getBytes("UTF-8");SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");// 生成随机初始化向量byte[] iv = new byte[16];SecureRandom random = new SecureRandom();random.nextBytes(iv);IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);// 初始化加密器Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);// 执行加密byte[] encrypted = cipher.doFinal(plainText.getBytes("UTF-8"));// 组合IV和密文 (IV + 密文)byte[] combined = new byte[iv.length + encrypted.length];System.arraycopy(iv, 0, combined, 0, iv.length);System.arraycopy(encrypted, 0, combined, iv.length, encrypted.length);return Base64.getEncoder().encodeToString(combined);}// 解密方法public static String decrypt(String encryptedText, String secretKey) throws Exception {// 解码Base64byte[] combined = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);// 分离IV和密文byte[] iv = new byte[16];byte[] encrypted = new byte[combined.length - iv.length];System.arraycopy(combined, 0, iv, 0, iv.length);System.arraycopy(combined, iv.length, encrypted, 0, encrypted.length);// 准备密钥和IVbyte[] keyBytes = secretKey.getBytes("UTF-8");SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);// 初始化解密器Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);// 执行解密byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);return new String(decrypted, "UTF-8");}// 使用示例public static void main(String[] args) {try {String secretKey = "ThisIsASecretKey123"; // 128位密钥(16字符)String originalText = "需要加密的敏感数据";// 加密String encrypted = encrypt(originalText, secretKey);System.out.println("加密结果: " + encrypted);// 解密String decrypted = decrypt(encrypted, secretKey);System.out.println("解密结果: " + decrypted);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

2. 非对称加密算法

非对称加密算法使用一对密钥：公钥（public key）和私钥（private key）。公钥用于加密数据，私钥用于解密。公钥可以公开分发，而私钥必须保密。这种方法解决了密钥分发问题，但计算开销较大，适合密钥交换或数字签名等场景。

• 常见算法：

  • RSA：最流行的非对称算法，基于大数分解难题。广泛用于SSL/TLS协议和数字签名。
  • ECC（椭圆曲线加密）：使用椭圆曲线数学，提供与RSA相当的安全性但密钥更短，效率更高，适用于资源受限设备。
  • Diffie-Hellman：主要用于密钥交换，允许双方在不安全的通道上建立共享密钥，但不直接用于加密数据。

• 数学表示：
  设$PK$为公钥，$SK$为私钥，$P$为明文，$C$为密文。
  加密过程：$C=E_{PK}(P)$
  解密过程：$P=D_{SK}(C)$
  例如，在RSA中，加密涉及模幂运算：$$C=P^e\mathrm{mod}n$$
  其中$e$和$n$是公钥的一部分，私钥用于计算逆运算。

• 非对称加密算法（RSA）Java实现：
  非对称加密使用公钥加密、私钥解密，核心算法基于大数因子分解难题。以下是完整的RSA算法实现示例：

import java.security.*;
import javax.crypto.*;
import java.util.Base64;public class RSAExample {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1. 生成密钥对KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");keyGen.initialize(2048); // 密钥长度2048位KeyPair keyPair = keyGen.generateKeyPair();PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();// 2. 加密明文（公钥加密）String plainText = "重要加密数据";Cipher encryptCipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");encryptCipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);byte[] cipherText = encryptCipher.doFinal(plainText.getBytes());String encodedCipher = Base64.getEncoder().encodeToString(cipherText);// 3. 解密密文（私钥解密）Cipher decryptCipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");decryptCipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);byte[] decryptedBytes = decryptCipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encodedCipher));String decryptedText = new String(decryptedBytes);System.out.println("原文: " + plainText);System.out.println("密文: " + encodedCipher);System.out.println("解密结果: " + decryptedText);}
}

3. 哈希函数（相关但非严格加密）

哈希函数不属于加密算法，因为它不涉及密钥，也无法解密。但它在加密系统中至关重要，用于验证数据完整性（例如，确保消息未被篡改）或支持数字签名。哈希函数将任意长度输入映射到固定长度的输出（哈希值），具有单向性和抗碰撞性。

• 常见算法：

  • SHA-256：安全哈希算法家族的一部分，输出256位哈希值，广泛用于区块链和证书签名。
  • MD5：较旧的算法，输出128位哈希值，但由于易受碰撞攻击，已不再推荐用于安全场景。

• 数学表示：
  设$M$为消息，$H$为哈希函数。
  哈希计算：$H(M)$
  例如，输出为固定长度字符串，如256位二进制值。

• MD5加密Java实现：
  MD5是一种广泛使用的哈希算法，生成128位（16字节）的哈希值,属于不可逆加密，需要配合原文一起发送。在Java中可通过java.security.MessageDigest实现：

import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;public class MD5Example {public static String md5Encrypt(String input) {try {// 获取MD5实例MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");// 计算哈希值（字节数组）byte[] hashBytes = md.digest(input.getBytes());// 将字节数组转为十六进制字符串StringBuilder hexString = new StringBuilder();for (byte b : hashBytes) {// 确保单字节转为两位十六进制（补前导0）String hex = Integer.toHexString(0xff & b);if (hex.length() == 1) hexString.append('0');hexString.append(hex);}return hexString.toString();} catch (NoSuchAlgorithmException e) {throw new RuntimeException("MD5算法不可用", e);}}public static void main(String[] args) {String plainText = "HelloWorld";String encrypted = md5Encrypt(plainText);System.out.println("原始文本: " + plainText);System.out.println("MD5哈希值: " + encrypted);}
}

总体比较与总结

算法类型	代表算法	密钥管理	速度	主要应用领域
对称加密	AES	单一密钥	快	大数据加密
非对称加密	RSA	公钥/私钥对	慢	密钥交换、签名
哈希算法	SHA-256	无密钥	非常快	数据完整性、验证

• 共同点：三者都基于数学原理构建，确保信息安全；实际系统中常结合使用（如RSA交换AES密钥，再用AES加密数据，最后用SHA-256验证）。
• 关键区别：对称加密高效但密钥分发难；非对称加密解决密钥分发但速度慢；哈希算法用于验证而非加密。
• 建议：选择算法时需考虑场景：AES适合实时加密，RSA用于安全初始化，SHA-256用于防篡改。确保使用最新标准和足够密钥长度以应对安全威胁。