浅入浅出常见敏感数据处理的加密算法

对称加密算法

概念

对称加密算法是应用较早的加密算法，又称为共享密钥加密算法。在对称加密算法中，使用的密钥只有一个，发送和接收双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密。这就要求加密和解密方事先都必须知道加密的密钥。

常见算法类型

列说明（对应算法表格)

列名	含义说明
算法	加密算法的名称（如AES、DES、3DES、SM1、SM4等）。
输出长度	每次加密操作输出的密文块长度。通常等于分组长度。
分组长度	加密算法每次处理数据的块大小（通常以比特或字节为单位，比如128位=16字节）。
密钥长度	用于加密和解密的密钥长度（通常以比特为单位，某些算法支持多种密钥长度）。
工作模式	算法的数据加密模式，如ECB（电子密码本模式）、CBC（密文分组链接）、CFB、OFB、CTR等。
填充模式	明文不足一个分组长度时的填充方式，如PKCS#5、PKCS#7、ZeroPadding、NoPadding等。

！块加密（分组加密）：加密算法无法一次性处理过长的明文，这种情况下，将明文以密钥长度分割，分成一个个固定长度的数据组（块），分别进行加密然后组合，该方式即为块加密，也称分组加密。

算法

算法	输出长度(位)	输出长度(字节)	分组长度	秘钥长度(位)	工作模式	填充模式
AES	128 bit	16 bytes	16 bytes	128/192/256	ECB/CBC/PCBC/CTR/…	NoPadding/PKCS5Padding/PKCS7Padding/…
DES	64 bit	8 bytes	8 bytes	56 bit	ECB/CBC/PCBC/CTR/…	NoPadding/PKCS5Padding/…
3DES	64 bit	8 bytes	8 bytes	112/168	ECB/CBC/CFB/OFB/CTR/…	NoPadding/ZeroPadding/PKCS7Padding/PKCS5Padding
SM1	128 bit	16 bytes	16 bytes	128 bit	ECB/CBC/CFB/OFB/CTR/…	NoPadding/ZeroPadding/PKCS7Padding/PKCS5Padding
SM4	128 bit	16 bytes	16 bytes	128 bit	ECB/CBC/CFB/OFB/CTR/GCM	ISO10126Padding/NoPadding/ZeroPadding/PKCS7Padding/PKCS5Padding

使用案例

1. 确定使用算法,以下示例：

1. 算法名称：AES（推荐安全、广泛应用）
2. 分组长度：128 bit（16字节）
3. 密钥长度：128/192/256 bit（常用128）
4. 常用模式：CBC（密文分组链接模式）
5. 常用填充方案：PKCS7 / PKCS5

2. 场景：

用户密码加密存储，假设有一个后台服务，需要将用户的敏感信息进行加密后存储到数据库。选择了AES-128-CBC算法。

3. 代码演示

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import javax.crypto.BadPaddingException;
import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;public class AESDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {String plaintext = "Hello, Alice!";// 1. 生成128位密钥KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");keyGen.init(128); // 128-bit AESSecretKey secretKey = keyGen.generateKey();byte[] keyBytes = secretKey.getEncoded();// 2. 生成IV（16字节）byte[] iv = new byte[16];new SecureRandom().nextBytes(iv);IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);// 3. 加密Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);byte[] ciphertextBytes = cipher.doFinal(plaintext.getBytes("UTF-8"));// 4. 输出加密结果（Base64 编码便于可视化和存储）String cipherBase64 = Base64.getEncoder().encodeToString(ciphertextBytes);String keyBase64 = Base64.getEncoder().encodeToString(keyBytes);String ivBase64 = Base64.getEncoder().encodeToString(iv);System.out.println("密文Base64: " + cipherBase64);System.out.println("密钥Base64: " + keyBase64);System.out.println("IV Base64: " + ivBase64);// 5. 解密Cipher cipher2 = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");cipher2.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);byte[] decryptedBytes = cipher2.doFinal(Base64.getDecoder().decode(cipherBase64));System.out.println("解密后: " + new String(decryptedBytes, "UTF-8"));}
}

4. 核心步骤总结

1. 选定算法（如AES-128-CBC），明确参数（密钥长度、分组长度）
2. 准备密钥、IV：安全产生并保管
3. 填充明文：保证数据块长度是分组长度整数倍
4. 调用加密程序得到密文
5. 存储密文/传输密文和必要的IV
6. 实际使用时解密，获得原文

非对称加密算法

概念

非对称加密算法，又称为公开密钥加密算法。它需要两个密钥，一个称为公开密钥 (public key)，即公钥，另一个称为私有密钥 (private key)，即私钥。因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法称为非对称加密算法。

常见类型

算法	常用密钥长度（位）	常见输出长度/密文长度*	主要用途	常用填充方式（如有）
RSA	1024/2048/3072/4096	与密钥长度对应（如2048位密钥加密输出256字节）	加密、签名	PKCS#1 v1.5, OAEP
ECC	256/384/521	与曲线及实现相关（如256位曲线密文约65-133字节）	加密、签名	通常无固定填充
SM2	256	密文约97字节（实现相关略有不同）	加密、签名	通常无固定填充
DH	1024/2048/3072	共享密钥长度与参数和实现相关	密钥协商	不适用（非加密用途）

输出长度/密文长度指一次加密输出的字节数，依密钥长度、填充、协议而异。DH不用于数据加密，输出为协商的共享密钥。

使用案例

1. 原理简述

1. 用户B生成RSA密钥对（公钥、私钥），将公钥发给用户A
2. 用户A用公钥对消息加密并发送密文
3. 用户B用私钥对密文解密，还原出原始消息

2. 生成秘钥对java代码示例(java8及以上)

import java.security.*;public class GenerateRSAKeys {public static void main(String[] args) throws Exception {KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");keyGen.initialize(2048);KeyPair pair = keyGen.generateKeyPair();// 得到对象PublicKey pubKey = pair.getPublic();PrivateKey priKey = pair.getPrivate();System.out.println("公钥：" + java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(pubKey.getEncoded()));System.out.println("私钥：" + java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(priKey.getEncoded()));}
}

3. 公钥加密，私钥解密

import java.security.*;
import javax.crypto.Cipher;
import java.util.Base64;public class RSADemo {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1. 生成密钥对KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");keyGen.initialize(2048);KeyPair pair = keyGen.generateKeyPair();PublicKey publicKey = pair.getPublic();PrivateKey privateKey = pair.getPrivate();String plaintext = "这是一个敏感信息";// 2. 公钥加密Cipher encryptCipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding");encryptCipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);byte[] encryptedBytes = encryptCipher.doFinal(plaintext.getBytes("UTF-8"));String encryptedBase64 = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);System.out.println("密文(Base64)：" + encryptedBase64);// 3. 私钥解密Cipher decryptCipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding");decryptCipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);byte[] decryptedBytes = decryptCipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedBase64));String decryptedText = new String(decryptedBytes, "UTF-8");System.out.println("解密后明文：" + decryptedText);}
}

4. 小结

1. 加密算法：RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding（更安全，推荐）
2. 明文与密文都是字节数组，密文经Base64编码方便显示和传输
3. RSA适合小数据加密（通常克长度 < 200 字节），大数据需分段或用混合加密

摘要算法

概念

摘要算法通过哈希运算将原始数据转换为固定长度的摘要。MD5、SHA1等同样可用于摘要算法。摘要算法的特点是摘要值与原始数据密切相关，任何微小的数据变化都会导致摘要值的显著变化。摘要算法常用于检测数据的篡改和验证数据的完整性，但请注意，它并非一种加密算法，而是数据保护的一种辅助手段。

常见类型

算法	输出长度(位)	输出长度(字节)
MD5	128	16
SHA-1	160	20
SHA-256	256	32
SHA-384	384	48
SHA-512	512	64
SHA3-256	256	32
SM3	256	32

主要用途

1. 数字签名：对数据生成摘要，再对摘要签名，提高处理效率和安全。
2. 文件完整性校验：如MD5校验文件传输和下载过程中的完整性。
3. 密码存储：将密码哈希后存储，提升账号数据安全性。
4. 数据去重和索引：快速查找和排重数据。

使用案例(SM3)

1. 使用BouncyCastle库，因为标准Java暂不支持SM2。引入依赖：

<dependency><groupId>org.bouncycastle</groupId><artifactId>bcprov-jdk18on</artifactId><version>1.78</version>
</dependency>
<dependency><groupId>org.bouncycastle</groupId><artifactId>bcpkix-jdk18on</artifactId><version>1.78</version>
</dependency>

2. 生成SM2秘钥对

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import java.security.*;public class SM2KeyPairGenerator {public static KeyPair generateSM2KeyPair() throws Exception {Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("EC", "BC");keyPairGen.initialize(new ECGenParameterSpec("sm2p256v1"), new SecureRandom());return keyPairGen.generateKeyPair();}
}

3. 电子合同签名

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import java.security.*;public class SM2SignerUtil {static {Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());}// 签名public static byte[] sign(byte[] data, PrivateKey privateKey) throws Exception {Signature signature = Signature.getInstance("SM3withSM2", "BC");signature.initSign(privateKey);signature.update(data);return signature.sign();}
}

4. 验签

public class SM2VerifyUtil {// 验签public static boolean verify(byte[] data, byte[] sig, PublicKey publicKey) throws Exception {Signature signature = Signature.getInstance("SM3withSM2", "BC");signature.initVerify(publicKey);signature.update(data);return signature.verify(sig);}
}

5. 完整使用示例

import java.security.KeyPair;public class ContractSignDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1. 生成密钥对KeyPair keyPair = SM2KeyPairGenerator.generateSM2KeyPair();// 2. 模拟合同内容String contract = "甲方向乙方出售一台设备，金额10000元。";byte[] contractBytes = contract.getBytes("UTF-8");// 3. 签名byte[] signature = SM2SignerUtil.sign(contractBytes, keyPair.getPrivate());System.out.println("签名Base64: " + java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(signature));// 4. 验签boolean isValid = SM2VerifyUtil.verify(contractBytes, signature, keyPair.getPublic());System.out.println("验签结果: " + isValid);// 5. 模拟合同被篡改byte[] tampered = "甲方向乙方出售一台设备，金额10001元。".getBytes("UTF-8");boolean isValid2 = SM2VerifyUtil.verify(tampered, signature, keyPair.getPublic());System.out.println("篡改内容验签: " + isValid2);}
}

6. 输出示例

签名Base64: MCwCFHz...91AIFc...
验签结果: true
篡改内容验签: false

7. 小结

1. 签名方用私钥对合同内容生成数字签名
2. 验签方用公钥对签名及原文进行校验，内容若被篡改则验签失败
3. 适用于电子合同、票据、区块链等需要防篡改场景

问题记录(Q&A)

为什么加密用的是字节（byte[]）？

1. 本质：加密算法（如AES、DES等）本质只处理二进制数据（即一串0和1），在编程里表现为字节数组
2. 不像文本：文本（如字符串）可以有各种编码（UTF-8、GBK等），而加密算法不认识什么字符，只认具体的字节
3. 准确性：只有用字节，数据的原始位不会丢失，也能保证加密、解密的精准复原

举例

String s = "hello";
byte[] data = s.getBytes("UTF-8"); // 明确转成字节流
cipher.doFinal(data);              // 加密本质操作字节

什么是国密算法？

国密算法（中文全称为“国家商用密码算法”），通常指中国国家密码管理局（原国家密码管理局，现属于国家密码管理局和密码科学技术研究所双重管理）发布的一系列面向数据加密、信息安全的密码算法标准。这些算法广泛应用于金融、政务、通信等需要高安全等级的场合，特别是在国产化、合规与自主可控场景下，具有重要意义。

国密算法都有哪些？

算法名	类别	用途	主要特点
SM1	对称分组加密	专用芯片/硬件加密	算法未公开，仅限硬件实现，与AES类似，许可使用
SM2	公钥密码算法	数字签名、加密、密钥交换	基于椭圆曲线ECC，自主研发，签名加密快于RSA，用于国密证书等
SM3	杂凑（哈希）	消息摘要、完整性校验	输出256位，功能类似SHA-256，但原理不同，用于防篡改、签名摘要
SM4	对称分组加密	数据加密、VPN、无线通讯加密	128位块长和密钥，公开标准，类似于AES，适合软硬件系统效率高
ZUC	流加密算法	3G/4G/5G移动通信空口加密	面向无线通信设计，运算高效，适合实时加密
SM9	标识密码算法	基于标识的加解密、签名、协商	以用户标识（如邮箱、手机号）为公钥，去中心化密钥管理，便于物联网等

国际算法都有哪些？

类型	代表算法	标准组织	主要特点
对称加密	AES、3DES、DES	NIST、ISO	加密解密效率高，适合大数据量加解密；实现简单
非对称加密	RSA、ECC（ECDSA、ECDH）、DSA	NIST、ISO/IETF	适合密钥交换、数字签名；密钥管理方便；安全性高
哈希算法	SHA-1、SHA-2、SHA-3、MD5	NIST、ISO	单向运算、不可逆、防篡改，常用于完整性校验
流加密	ChaCha20、RC4	IETF	加解密速度快，适合流式数据（如VPN、TLS）
消息认证码	HMAC、CMAC	NIST、ISO	基于哈希/分组加密，验证消息完整性和认证
密钥协商/交换	DH、ECDH	NIST、IETF	用于安全地在线协商加密密钥，抵抗窃听和中间人攻击
密钥派生	PBKDF2、HKDF	IETF、NIST	基于密码/主密钥安全地产生子密钥，增强密码抗攻击性

为什么很多时候展示、保存用16进制/BASE64？

1. 人类不习惯直接看字节（看不到…也可能是乱码）;加密后数据经常包含不可打印字符（比如0x00、0xA7、0xFF等），直接用字符串展现会乱码，写文件/网络传输也可能被破坏
2. 16进制和BASE64是常用安全可见表示方法,16进制：每个字节用两位0-9A-F表示，占空间大些，但清晰直观
3. Base64：把任意字节流转成ASCII字符，便于在网络、文本里安全传递和保存，比16进制更节省空间，实际用得更多

举例

byte[] b = { (byte)0xAB, (byte)0xCD, (byte)0x01}; 
String hex = javax.xml.bind.DatatypeConverter.printHexBinary(b); // "ABCD01"
String base64 = java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(b); // "q80B"

实际场景

1. 数据库保存密文：用16进制字符串或BASE64字符串，而不是原始字节
2. 接口传输密文：通常也是Base64
3. 加密函数参数：都要求字节流，不要直接用字符串