信息安全——密码学（上）

一、引言

这篇文章来介绍一下信息安全方面的知识，本人的上一份工作就是做安全相关的产品，在这里对产品的的大体思路简单描述一下吧。

用户提供一些基本信息，比如姓名、手机号、身份证号码等，我们将这些基本信息录入平台。当用户安装集成了我们SDK的App后，App通过接口向我们平台发起申请证书的申请，而我们则会携带用户的信息向CA申请证书。（如果不懂，文章后续会有介绍）

当CA给用户生成证书后，我们通过接口向App返回，App再调用我们提供的SDK，往SIM卡里写入证书。证书能干吗呢？我们可以用证书来对文件签名，我们还可以用证书对数据进行加密，我们还可以用证书对文件进行签章……等等一系列的安全操作。

这里面就设计信息安全方方面面的知识，基于此，下面就来介绍一下密码学方法的知识吧。

二、密码学

密码学是网络安全、信息安全、区块链等技术的基础，常见的非对称加密、对称加密、散列函数等，都属于密码学范畴。

1、古典密码学 （1） 替换法

替换法就是用固定的信息将原文替换成无法直接阅读的密文信息。例如我们要加密 bee 这个单词，我们可以将 b 替换成 w ，e 替换成p ，这样 bee 单词就变换成了wpp，不知道替换规则的人就无法阅读出原文的含义。

替换法有单表替换和多表替换两种形式。单表替换即只有一张原文密文对照表单，发送者和接收者用这张表单来加密解密。多表替换即有多张原文密文对照表单，不同字母可以用不同表单的内容替换。

例如约定好表单为：表单 1：abcde-swtrp 、表单2：abcde-chfhk 、表单 3：abcde-jftou。

规定第一个字母用第三张表单，第二个字母用第一张表单，第三个字母用第二张表单，这时 bee 单词就变成了(312)fpk ，破解难度更高，其中 312 又叫做密钥，密钥可以事先约定好，也可以在传输过程中标记出来。

（2）移位法

移位法就是将原文中的所有字母都在字母表上向后（或向前）按照一个固定数目进行偏移后得出密文，典型的移位法应用有 “ 恺撒密码 ”。（最多可移25位）

例如约定好向后移动2位（abcde - cdefg），这样 bee 单词就变换成了dgg 。

同理替换法，移位法也可以采用多表移位的方式，典型的多表案例是“维尼吉亚密码”（又译维热纳尔密码），属于多表密码的一种形式。

（3）古典密码破解方式

古典密码虽然很简单，但是在密码史上是使用的最久的加密方式，直到“概率论”的数学方法被发现，古典密码就被破解了。

英文单词中字母出现的频率是不同的，e以12.702%的百分比占比最高，z 只占到0.074%，感兴趣的可以去百科查字母频率详细统计数据。如果密文数量足够大，仅仅采用频度分析法就可以破解单表的替换法或移位法。

多表的替换法或移位法虽然难度高一些，但如果数据量足够大的话，也是可以破解的。以维尼吉亚密码算法为例，破解方法就是先找出密文中完全相同的字母串，猜测密钥长度，得到密钥长度后再把同组的密文放在一起，使用频率分析法破解。

2、 近代密码学

古典密码的安全性受到了威胁，外加使用便利性较低，到了工业化时代，近现代密码被广泛应用。

恩尼格玛机是二战时期纳粹德国使用的加密机器，后被英国破译，参与破译的人员有被称为计算机科学之父、人工智能之父的图灵。

恩尼格玛机使用的加密方式本质上还是移位和替代，只不过因为密码表种类极多，破解难度高，同时加密解密机器化，使用便捷，因而在二战时期得以使用。

3、现代密码学 （1）散列函数

散列函数，也叫杂凑函数、摘要函数或哈希函数，可将任意长度的消息经过运算，变成固定长度数值，常见的有MD5、SHA-1、SHA256，多应用在文件校验，数字签名中。

MD5 可以将任意长度的原文生成一个128位（16字节）的哈希值；

SHA-1可以将任意长度的原文生成一个160位（20字节）的哈希值

（2）对称密码

对称密码应用了相同的加密密钥和解密密钥。对称密码分为：序列密码(流密码)，分组密码(块密码)两种。流密码是对信息流中的每一个元素（一个字母或一个比特）作为基本的处理单元进行加密，块密码是先对信息流分块，再对每一块分别加密。

例如原文为1234567890，流加密即先对1进行加密，再对2进行加密，再对3进行加密……最后拼接成密文；块加密先分成不同的块，如1234成块，5678成块，90XX(XX为补位数字)成块，再分别对不同块进行加密，最后拼接成密文。前文提到的古典密码学加密方法，都属于流加密，也是逐个加密。

（3）非对称密码

对称密码的密钥安全极其重要，加密者和解密者需要提前协商密钥，并各自确保密钥的安全性，一但密钥泄露，即使算法是安全的也无法保障原文信息的私密性。

在实际的使用中，远程的提前协商密钥不容易实现，即使协商好，在远程传输过程中也容易被他人获取，因此非对称密钥此时就凸显出了优势。

非对称密码有两支密钥，公钥（publickey）和私钥（privatekey），加密和解密运算使用的密钥不同。用公钥对原文进行加密后，需要由私钥进行解密；用私钥对原文进行加密后（此时一般称为签名），需要由公钥进行解密（此时一般称为验签）。公钥可以公开的，大家使用公钥对信息进行加密，再发送给私钥的持有者，私钥持有者使用私钥对信息进行解密，获得信息原文。因为私钥只有单一人持有，因此不用担心被他人解密获取信息原文。

此处需要解释一下：

私钥是只有一个人持有，所以用私钥加密后的信息是可以做身份认证的，也叫做不可抵赖性。

这里提出一个问题？小明和小红两个人如何用非对称加密算法进行安全通信？

提示：小明和小红各自生成自己的公私钥对，分别把公钥给到对方，即可安全通信。

4、ASCII编码

ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码）是基于拉丁字母的一套电脑编码系统，主要用于显示现代英语和其他西欧语言。它是现今最通用的单字节编码系统，并等同于国际标准ISO/IEC 646。

(1)、字符转换成ascii码

public class AsciiDemo {
    public static void main(String[] args) {
        char a = 'A';
        int b = a;
        // 打印ascii码
        System.out.println(b);
    }
}

运行程序

（2）、字符串转换成ascii码

public class AsciiDemo {
    public static void main(String[] args) {
        String a = "AaZ";
        // 获取ascii码，需要把字符串转成字符
        char[] chars = a.toCharArray();
        for (char c : chars) {
            int asciiCode = c;
            System.out.println(asciiCode);
        }
    }
}

运行程序

5、恺撒加密

在密码学中，恺撒密码是一种最简单且最广为人知的加密技术。

凯撒密码最早由古罗马军事统帅盖乌斯·尤利乌斯·凯撒在军队中用来传递加密信息，故称凯撒密码。这是一种位移加密方式，只对26个字母进行位移替换加密，规则简单，容易破解。下面是位移1次的对比： 将明文字母表向后移动1位，A变成了B，B变成了C……，Z变成了A。同理，若将明文字母表向后移动3位： 则A变成了D，B变成了E……，Z变成了C。

字母表最多可以移动25位。凯撒密码的明文字母表向后或向前移动都是可以的，通常表述为向后移动，如果要向前移动1位，则等同于向后移动25位，位移选择为25即可。

它是一种替换加密的技术，明文中的所有字母都在字母表上向后（或向前）按照一个固定数目进行偏移后被替换成密文。

例如，当偏移量是3的时候，所有的字母A将被替换成D，B变成E，以此类推。

这个加密方法是以恺撒的名字命名的，当年恺撒曾用此方法与其将军们进行联系。

恺撒密码通常被作为其他更复杂的加密方法中的一个步骤。 简单来说就是当秘钥为n，其中一个待加密字符ch，加密之后的字符为ch+n，当ch+n超过’z’时，回到’a’计数。

6、 频度分析法破解恺撒加密

频率分析解密法，以英文字母为例，为了确定每个英文字母的出现频率，分析一篇或者数篇普通的英文文章，假设英文字母出现频率最高的是e，接下来是t，然后是a……，然后检查要破解的密文，也将每个字母出现的频率整理出来，假设密文中出现频率最高的字母是j，那么就可能是e的替身，如果密码文中出现频率次高的但是p，那么可能是t的替身，以此类推便就能解开加密信息的内容。这就是频率分析法。

7、 Byte和bit

Byte : 字节。 数据存储的基本单位，比如移动硬盘1T ，单位是byte。

bit : 比特, 又叫位。一个位要么是0要么是1，数据传输的单位 , 比如家里的宽带100MB，下载速度并没有达到100MB，一般都是12-13MB，那么是因为需要使用 100 / 8

关系: 1Byte = 8bit

（1）、获取字符串byte

public class ByteBit {
    public static void main(String[] args) {
        String a = "a";
        byte[] bytes = a.getBytes();
        for (byte b : bytes) {
            int c=b;
            // 打印发现byte实际上就是ascii码
            System.out.println(c);
        }
    }
}

运行程序

（2）、 byte对应bit

public class ByteBit {
    public static void main(String[] args) {
        String a = "a";
        byte[] bytes = a.getBytes();
        for (byte b : bytes) {
            int c = b;
            // 打印发现byte实际上就是ascii码
            System.out.println(c);
            // 我们在来看看每个byte对应的bit，byte获取对应的bit
            String s = Integer.toBinaryString(c);
            System.out.println(s);
        }
    }
}

打印出来应该是8个bit，但前面是0，没有打印 ，从打印结果可以看出来，一个英文字符 ，占一个字节

（3）、 中文对应的字节

中文在GBK编码下, 占据2个字节；中文在UTF-8编码下, 占据3个字节

public class ByteBitDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception{

        String a = "中";
        byte[] bytes = a.getBytes();
        for (byte b : bytes) {
            System.out.print(b + "   ");
            String s = Integer.toBinaryString(b);
            System.out.println(s);
        }
    }
}

运行程序：我们发现一个中文是有 3 个字节组成

我们修改 编码格式 , 编码格式改成 GBK ，我们在运行发现变成了 2 个字节

public static void main(String[] args) throws Exception{

        String a = "中";

        // 在中文情况下，不同的编码格式，对应不同的字节
       // GBK :编码格式占2个字节
       // UTF-8：编码格式占3个字节
        byte[] bytes = a.getBytes("GBK");
       // byte[] bytes = a.getBytes("UTF-8");
        for (byte b : bytes) {
            System.out.print(b + "   ");
            String s = Integer.toBinaryString(b);
            System.out.println(s);
        }
    }

8、常见加密方式

（1）对称加密

采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密，这种加密方法称为对称加密，也称为单密钥加密。

假如，我们现在有一个原文3要发送给B，设置密钥为108, 3 * 108 = 324, 将324作为密文发送给B B拿到密文324后, 使用324/108 = 3 得到原文。

常见对称加密算法

==DES ==: Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法，1977年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准（FIPS），并授权在非密级政府通信中使用，随后该算法在国际上广泛流传开来。

==AES ==: Advanced Encryption Standard, 高级加密标准。在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个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。

对称加密算法特点：

1. 加密速度快, 可以加密大文件
2. 密文可逆, 一旦密钥文件泄漏, 就会导致数据暴露
3. 加密后编码表找不到对应字符, 出现乱码
4. 一般结合Base64使用

DES加密示例代码

Cipher 文档地址

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/javax/crypto/Cipher.html#getInstance-java.lang.String

public class DesAesDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        // 原文
        String input = "中国";
        // des加密必须是8位
        String key = "123456";
        // 算法
        String algorithm = "DES";

        String transformation = "DES";
        // Cipher：密码，获取加密对象
        // transformation:参数表示使用什么类型加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
        // 指定秘钥规则
        // 第一个参数表示：密钥，key的字节数组
        // 第二个参数表示：算法
        SecretKeySpec sks = new SecretKeySpec(key.getBytes(), algorithm);
        // 对加密进行初始化
        // 第一个参数：表示模式，有加密模式和解密模式
        // 第二个参数：表示秘钥规则
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,sks);
        // 进行加密
        byte[] bytes = cipher.doFinal(input.getBytes());
        // 打印字节，因为ascii码有负数，解析不出来，所以乱码
//        for (byte b : bytes) {
//            System.out.println(b);
//        }
        // 打印密文
        System.out.println(new String(bytes));
    }
}

DES加密算法规定，密钥key必须是8个字节。

修改 密钥 key = “12345678” ，再次运行 ，出现乱码是因为对应的字节出现负数，但负数，没有出现在 ascii 码表里面，所以出现乱码，需要配合base64进行转码。

使用 base64 进行编码，base64 导包的时候，需要注意 ，别导错了，需要导入 apache 包。

public class DesAesDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        // 原文
        String input = "中国";
        // des加密必须是8位
        String key = "123456";
        // 算法
        String algorithm = "DES";

        String transformation = "DES";
        // Cipher：密码，获取加密对象
        // transformation:参数表示使用什么类型加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
        // 指定秘钥规则
        // 第一个参数表示：密钥，key的字节数组
        // 第二个参数表示：算法
        SecretKeySpec sks = new SecretKeySpec(key.getBytes(), algorithm);
        // 对加密进行初始化
        // 第一个参数：表示模式，有加密模式和解密模式
        // 第二个参数：表示秘钥规则
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,sks);
        // 进行加密
        byte[] bytes = cipher.doFinal(input.getBytes());
        // 打印字节，因为ascii码有负数，解析不出来，所以乱码
//        for (byte b : bytes) {
//            System.out.println(b);
//        }

        String encode = Base64.encode(bytes);
        // 打印密文
        System.out.println(encode );
    }
}

DES解密示列代码

public class DesDemo {
    // DES加密算法,key的大小必须是8个字节

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String input ="中国";
        // DES加密算法，key的大小必须是8个字节
        String key = "12345678";

        String transformation = "DES"; 
        // 指定获取密钥的算法
        String algorithm = "DES";
        String encryptDES = encryptDES(input, key, transformation, algorithm);
        System.out.println("加密:" + encryptDES);
        String s = decryptDES(encryptDES, key, transformation, algorithm);
        System.out.println("解密:" + s);

    }

    /**
     * 使用DES加密数据
     *
     * @param input          : 原文
     * @param key            : 密钥(DES,密钥的长度必须是8个字节)
     * @param transformation : 获取Cipher对象的算法
     * @param algorithm      : 获取密钥的算法
     * @return : 密文
      * @throws Exception
      */
    private static String encryptDES(String input, String key, 
    		String transformation, String algorithm) throws Exception {
        // 获取加密对象
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
        // 创建加密规则
        // 第一个参数key的字节
        // 第二个参数表示加密算法
        SecretKeySpec sks = new SecretKeySpec(key.getBytes(), algorithm);
        // ENCRYPT_MODE：加密模式
        // DECRYPT_MODE: 解密模式
        // 初始化加密模式和算法
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,sks);
        // 加密
        byte[] bytes = cipher.doFinal(input.getBytes());

        // 输出加密后的数据
        String encode = Base64.encode(bytes);

        return encode;
     }

    /**
     * 使用DES解密
     *
     * @param input          : 密文
     * @param key            : 密钥
     * @param transformation : 获取Cipher对象的算法
     * @param algorithm      : 获取密钥的算法
     * @throws Exception
     * @return: 原文
     */
    private static String decryptDES(String input, String key, 
    		String transformation, String algorithm) throws Exception {
        // 1,获取Cipher对象
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
        // 指定密钥规则
        SecretKeySpec sks = new SecretKeySpec(key.getBytes(), algorithm);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, sks);
        // 3. 解密，上面使用的base64编码，下面直接用密文
        byte[] bytes = cipher.doFinal(Base64.decode(input));
        //  因为是明文，所以直接返回
        return new String(bytes);
    }
}

9、Base64 算法简介

Base64是网络上最常见的用于传输8Bit字节码的可读性编码算法之一。可读性编码算法不是为了保护数据的安全性，而是为了可读性，可读性编码不改变信息内容，只改变信息内容的表现形式。

所谓Base64，即是说在编码过程中使用了64种字符：大写A到Z、小写a到z、数字0到9、“+”和“/”。

Base58是Bitcoin(比特币)中使用的一种编码方式，主要用于产生Bitcoin的钱包地址，相比Base64，Base58不使用数字"0"，字母大写"O"，字母大写"I"，和字母小写"i"，以及"+“和”/"符号。

Base64 算法原理

base64 是 3个字节为一组，一个字节 8位，一共 就是24位 ，然后，把3个字节转成4组，每组6位，3 * 8 = 4 * 6 = 24 ，每组6位，缺少的2位，会在高位进行补0 ，这样做的好处在于 ，base取的是后面6位，去掉高2位 ，那么base64的取值就可以控制在0-63位了，所以就叫base64。

base64 构成原则，如下图。

① 小写 a - z = 26个字母

② 大写 A - Z = 26个字母

③ 数字 0 - 9 = 10 个数字

④ + / = 2个符号

大家可能发现一个问题，咱们的base64有个 = 号，但是在映射表里面没有发现 = 号 ， 这个地方需要注意，等号非常特殊，因为base64是三个字节一组 ，如果当我们的位数不够的时候，会使用等号来补齐。

10、 AES加密解密

AES 加密解密和 DES 加密解密代码一样，只需要修改加密算法就行。

public class AesDemo {
    // DES加密算法,key的大小必须是8个字节

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String input ="中国";
        // AES加密算法，比较高级，所以key的大小必须是16个字节
        String key = "1234567812345678";

        String transformation = "AES"; 
        // 指定获取密钥的算法
        String algorithm = "AES";
        // 先测试加密，然后在测试解密
        String encryptDES = encryptDES(input, key, transformation, algorithm);
        System.out.println("加密:" + encryptDES);
        String s = dncryptDES(encryptDES, key, transformation, algorithm);
        System.out.println("解密:" + s);

    }

    /**
     * 使用DES加密数据
     *
     * @param input          : 原文
     * @param key            : 密钥(DES,密钥的长度必须是8个字节)
     * @param transformation : 获取Cipher对象的算法
     * @param algorithm      : 获取密钥的算法
     * @return : 密文
     * @throws Exception
     */
    private static String encryptDES(String input, String key, 
    		String transformation, String algorithm) throws Exception {
        // 获取加密对象
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
        // 创建加密规则
        // 第一个参数key的字节
        // 第二个参数表示加密算法
        SecretKeySpec sks = new SecretKeySpec(key.getBytes(), algorithm);
        // ENCRYPT_MODE：加密模式
        // DECRYPT_MODE: 解密模式
        // 初始化加密模式和算法
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,sks);
        // 加密
        byte[] bytes = cipher.doFinal(input.getBytes());

        // 输出加密后的数据
        String encode = Base64.encode(bytes);

        return encode;
    }

    /**
     * 使用DES解密
     *
     * @param input          : 密文
     * @param key            : 密钥
     * @param transformation : 获取Cipher对象的算法
     * @param algorithm      : 获取密钥的算法
     * @throws Exception
     * @return: 原文
     */
    private static String dncryptDES(String input, String key, 
    		String transformation, String algorithm) throws Exception {
        // 1,获取Cipher对象
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
        // 指定密钥规则
        SecretKeySpec sks = new SecretKeySpec(key.getBytes(), algorithm);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, sks);
        // 3. 解密
        byte[] bytes = cipher.doFinal(Base64.decode(input));

        return new String(bytes);
    }
}

AES 加密的密钥key ， 需要传入16个字节

11、toString()与new String ()用法区别

public class TestBase64 {
    public static void main(String[] args) {
        String str = "TU0jV0xBTiNVYys5bEdiUjZlNU45aHJ0bTdDQStBPT0jNjQ2"
        			+ "NDY1Njk4IzM5OTkwMDAwMzAwMA==";

        String rlt1 = new String(Base64.decode(str));

        String rlt2 = Base64.decode(str).toString();

        System.out.println(rlt1);

        System.out.println(rlt2);
    }
}

结果是：

MM#WLAN#Uc+9lGbR6e5N9hrtm7CA+A==#646465698#399900003000
[B@1540e19d

toString()与new String ()用法区别

str.toString是调用了这个object对象的类的toString方法。一般是返回这么一个String：[class name]@[hashCode]

new String(str)是根据parameter是一个字节数组，使用java虚拟机默认的编码格式，将这个字节数组decode为对应的字符。若虚拟机默认的编码格式是ISO-8859-1，按照ascii编码表即可得到字节对应的字符。

什么时候用什么方法呢？

new String（）一般使用字符转码的时候,byte[]数组的时候 toString（）对象打印的时候使用

12、加密模式

加密模式：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/javax/crypto/Cipher.html

ECB : Electronic codebook, 电子密码本。需要加密的消息按照块密码的块大小被分为数个块，并对每个块进行独立加密

优点 : 可以并行处理数据 缺点 : 同样的原文生成同样的密文, 不能很好的保护数据 同时加密，原文是一样的，加密出来的密文也是一样的

CBC : Cipher-block chaining, 密码块链接。每个明文块先与前一个密文块进行异或后，再进行加密。在这种方法中，每个密文块都依赖于它前面的所有明文块。

优点 : 同样的原文生成的密文不一样 缺点 : 串行处理数据.

13、填充模式

当需要按块处理的数据, 数据长度不符合块处理需求时, 按照一定的方法填充满块长的规则

NoPadding

不填充 在DES加密算法下, 要求原文长度必须是8byte的整数倍 在AES加密算法下, 要求原文长度必须是16byte的整数倍

PKCS5Padding

数据块的大小为8位, 不够就补足

Tips

默认情况下, 加密模式和填充模式为 : ECB/PKCS5Padding 如果使用CBC模式, 在初始化Cipher对象时, 需要增加参数, 初始化向量IV : IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(key.getBytes());