密码加密及验证

目录

为什么需要加密？

密码算法分类

对称密码算法

非对称密码算法

摘要算法

DigestUtils

MD5在线解密工具原理

实现用户密码加密

代码实现

为什么需要加密？

  在MySQL数据库中，我们常常需要对用户密码、身份证号、手机号码等敏感信息进行加密，以保证数据的安全性。若我们直接使用明文存储这些敏感信息，当黑客入侵数据库时，就可以轻松拿到用户的相关信息，从而造成信息泄露或财产损失

密码算法分类

密码算法主要分为三类：对称密码算法、非对称密码算法和摘要算法

对称密码算法

对称密码算法：对称密码算法使用相同的密钥来进行加密和解密。这意味着在加密和解密过程中都使用相同的密钥。对称密码算法通常比非对称密码算法更快速，因为它们不涉及复杂的数学运算。

我们可以将加密的过程看做数学中计算 y = f(x) 的过程，其中 x 为明文，y 为密文，f( )表示不同的加密算法，通过 f(x) 计算密文y

对于对称加密，由于其在加密和解密过程中使用相同的密钥，即

计算密文：y = f(x)

计算明文：x = f(y)

对称密码算法可以进一步分为两种类型：块密码和流密码

块密码：块密码将明文划分为固定大小的块，并对每个块进行加密。常见的块密码算法有：

DES（Data Encryption Standard）：DES是一种早期的对称加密算法，使用56位密钥和64位分组大小。

3DES（Triple DES）：3DES是对DES的改进，使用两次或三次DES加密过程来增加密钥长度和安全性。它使用的密钥长度为56位，但由于密钥被使用多次，实际的密钥长度为112位或168位。

AES（Advanced Encryption Standard）：AES是目前广泛使用的对称加密算法，其密钥长度可以是128位、192位或256位。AES具有较高的安全性和性能，被广泛应用于各种加密场景。

流密码：流密码将明文与密钥流进行按位异或运算来进行加密。密钥流可以是伪随机生成的，也可以是基于密钥和其他参数的确定性生成的。常见的流密码算法有：

RC4（Rivest Cipher 4）：RC4是一种流密码算法，曾经被广泛用于加密通信协议中，如WEP和SSL/TLS。

Salsa20 和 ChaCha20：Salsa20和ChaCha20是由丹尼尔·J·伯恩斯坦（Daniel J. Bernstein）设计的流密码算法，被广泛认为是高性能和安全的加密算法，被用于加密通信和随机数生成等领域。

非对称密码算法

非对称密码算法：非对称密码算法使用一对密钥，即公钥和私钥，来进行加密和解密。这意味着使用公钥对数据进行加密后，只有持有相应私钥的实体才能解密数据。非对称密码算法也被称为公钥密码算法，相对于对称密码算法来说，它提供了更好的密钥管理和安全性。

同样的，我们将加密的过程看做数学中计算 y = f(x) 的过程

而对于非对称加密，其使用用户公钥进行加密，私钥进行解密，即

计算密文：y = f(x)

计算明文：x = m(y)

其中 x 为明文，y 为密文，f( )表示加密算法（也可看做公钥），通过 f(x) 计算密文y；m( )表示解密算法（也可看做私钥），通过m(y)计算明文

常见的非对称密码算法有：

RSA（Rivest-Shamir-Adleman）：RSA是一种基于大整数的非对称加密算法，广泛应用于安全通信、数字签名等领域。RSA算法的安全性基于大整数分解的困难性，即在已知公钥的情况下，无法有效地分解出私钥。

DSA（Digital Signature Algorithm）：DSA是一种用于数字签名的非对称加密算法，主要用于确保数字信息的完整性和真实性。DSA算法与SHA-1或SHA-2哈希函数结合使用，以生成数字签名。

ECC（Elliptic Curve Cryptography）：ECC是一种基于椭圆曲线离散对数问题的加密算法，它提供了与RSA相当的安全性，但使用更短的密钥长度，从而降低了计算和存储成本。

摘要算法

摘要算法：摘要算法也称为哈希函数，是一种将任意长度的输入消息转换为固定长度的输出值（哈希值）的算法。

同样的，我们将加密的过程看做数学中计算 y = f(x) 的过程，其中 x 为明文，y 为密文，f( )表示加密算法

对于摘要算法，可以通过y = f(x)计算密文，而无法通过密文计算明文

摘要算法具有以下特性：

固定长度输出：摘要算法生成的哈希值长度是固定的，不受输入消息长度的影响。

唯一性：对于不同的输入消息，摘要算法应该生成不同的哈希值。理想情况下，不同的输入应该产生唯一的哈希值，但由于输出空间有限，可能存在碰撞（多个不同的输入生成相同的哈希值）。

不可逆性：从哈希值推导原始输入消息应该是困难的，即使在已知哈希值的情况下，也应该难以确定原始输入消息。

抗碰撞性：摘要算法应该具有良好的抗碰撞性，即在计算上难以找到两个不同的输入消息产生相同的哈希值。

常见的摘要算法有：

MD5（Message Digest Algorithm 5）：是一种广泛使用的哈希函数，用于产生128位（16字节）的哈希值。MD5算法主要用于对消息进行一致性校验、数据完整性验证等非加密目的。

SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）：SHA-1是一种被广泛使用的摘要算法，但由于其存在碰撞攻击，逐渐被淘汰。

SHA-256、SHA-384、SHA-512：这些是SHA-2家族的一部分，它们分别生成256位、384位和512位长度的哈希值。SHA-2算法提供了更高的安全性，被广泛应用于各种加密应用中。

SHA-3（Secure Hash Algorithm 3）：SHA-3是NIST选出的新一代哈希算法标准，其设计目标是提供与SHA-2不同的算法选择，以增加算法多样性。

DigestUtils

DigestUtils 是Spring为我们提供的一个MD5加密工具类，用于生成MD5哈希值，进行消息摘要的计算，我们可以直接利用该工具类中的方法来对数据进行加密

其中，常用的方法有：

byte[] md5Digest(byte[] bytes)：计算给定字节数组的MD5哈希值

byte[] md5Digest(InputStream inputStream)：计算给定输入流的MD5哈希值

String md5DigestAsHex(byte[] bytes)：计算给定字节数组的MD5哈希值，并以十六进制字符串形式返回结果

String md5DigestAsHex(InputStream inputStream)：计算给定输入流的MD5哈希值，并以十六进制字符串形式返回结果

StringBuilder appendMd5DigestAsHex(byte[] bytes, StringBuilder builder)：计算给定字节数组的MD5哈希值，并将其以十六进制字符串形式添加到给定的StringBuilder

StringBuilder appendMd5DigestAsHex(InputStream inputStream, StringBuilder builder)：计算给定输入流的MD5哈希值，并将其以十六进制字符串形式添加到给定的StringBuilder

 我们以对用户密码进行加密为例，来进一步学习DigestUtils：

import org.springframework.util.DigestUtils;

public class MD5UtilsTest {
    public static void main(String[] args) {
        String password1 = DigestUtils.md5DigestAsHex("123456".getBytes());
        System.out.println("123456: " + password1);
        String password2 = DigestUtils.md5DigestAsHex("123456".getBytes());
        System.out.println("123456: " + password2);
        String password3 = DigestUtils.md5DigestAsHex("123457".getBytes());
        System.out.println("123457: " + password3);
        String password4 = DigestUtils.md5DigestAsHex("12345".getBytes());
        System.out.println("12345:  " + password4);
    }
}

运行结果：

我们可以看到：对于相同的输入生成相同的哈希值，而不同的输入生成不同的哈希值，且 “123456” 和 “123457” 只有一个字符不相同，但生成的哈希值差别却很大，生成的哈希值长度是固定的，不受输入消息长度的影响

MD5在线解密工具原理

MD5是一种摘要算法，摘要算法具有不可逆性，那么网上的MD5在线解密工具是如何解密的呢？

  这是因为其会将常用的字符串的MD5哈希值保存到数据库中，当用户输入一个MD5哈希值时，就会尝试找到对应的明文，若找到对应的哈希值与明文的映射，则返回该明文作为解密结果；若没有找到对应映射，则可能会放弃解密（这是因为实时计算MD5哈希值对应的明文需要消耗大量的计算资源，尤其是对应复杂的密码或长文本）

我们随便找一个在线解密工具网站：

输入之前 “123456”的哈希值进行解密：

对应较为简单的 123456，则很快得出结果

而当我们输入较为复杂的明文进行加密：

此时再尝试进行解密：

则会解密失败

实现用户密码加密

我们通过MD5算法对用户密码进行加密，但由于其不可逆性，我们该如何进行判断用户输入的密码是否正确呢？

虽然经过MD5加密后的密文无法解密，但由于相同的密码经过MD5哈希后得到的密文是相同的，我们可以利用这个特性对密码进行验证

计算用户输入的密码的哈希值，并将其与数据库中存储的哈希值相比较，若相同，则用户输入的密码正确；若不同，则用户输入的密码错误

即，采用 判断哈希值是否一致 的方法来判断密码是否正确

但是，正是由于相同的密码经过MD5哈希后的密文是相同的，当存储用户密码的数据库泄露后，攻击者很容易找到相同密码的用户，从而降低了破解密码的难度，且用户输入的密码可能为弱密码（如 123456、666666等），此时破解密码的难度也较低。

因此，我们在对用户密码进行加密时，需要考虑对密码进行包装，即使是相同的密码，也保存为不同的密文，即用户即使是输入的弱密码，也对其进行增强，从而增加密码被攻破的难度

那么应该如何实现呢？

我们可以为密码拼接一个复杂字符后进行加密，为了进一步提供安全性，我们可以拼接一个随机复杂字符串，这个随机复杂字符串我们称之为 “盐”

这样，当黑客通过一定手段拿到这个加密串时，拿到明文并不是我们加密前的字符串，而是加密前的字符串和盐组合的字符串，这样相对来说又增加了字符串的安全性

因此，用户密码加密实现为：

如何生成随机盐值呢？

我们可以使用 UUID 生成随机盐值

UUID（Universally Unique Identifier）是一种标准化的格式，用于表示全局唯一的标识符。UUID通常以32位的十六进制数字表示，由五段组成，以连字符分隔，例如：550e8400-e29b-41d4-a716-446655440000。

我们可以通过randomUUID()方法来生成唯一识别码：

import java.util.UUID;

public class MD5UtilsTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(UUID.randomUUID());
        System.out.println(UUID.randomUUID());
        System.out.println(UUID.randomUUID());
    }
}

运行结果：

我们可以将其结果转换为字符串，并去掉其中的 “-”

import java.util.UUID;

public class MD5UtilsTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(UUID.randomUUID().toString().replace("-", ""));
    }
}

此时，我们就可以得到 32位 随机盐值：

此时，我们将密码和随机盐值一起进行MD5哈希：

import org.springframework.util.DigestUtils;
import java.util.UUID;

public class MD5UtilsTest {
    public static void main(String[] args) {
        String password1 = DigestUtils.md5DigestAsHex(("123456" + UUID.randomUUID().toString().replace("-", "")).getBytes());
        System.out.println("123456: " + password1);
        String password2 = DigestUtils.md5DigestAsHex(("123456" + UUID.randomUUID().toString().replace("-", "")).getBytes());
        System.out.println("123456: " + password2);
    }
}

运行结果：

此时，即使是相同的密码，加密后生成的哈希值也是不同的

由于我们通过 判断哈希值是否一致 的方法来判断密码是否正确，因此在用户登录输入密码时，我们需要拿到 用户注册时生成的随机盐值，因此我们需要在数据库中存储 盐值 和 密文，（即 盐值 + MD5（明文 + 盐值））

在存储盐值和密文时，我们可以存储：

盐值 + 密文

密文 + 盐值

4位盐值 + 4位密文 + 4位盐值 + 4位密文 + ...

4位密文+ 4位盐值 + 4位密文 + 4位盐值 + ...

......

 有多种存储方式，同样，我们在拼接明文和盐值时也有多种拼接方式

在学习了如何实现用户密码加密后，我们来通过代码实现 加密 和 验证

代码实现

我们首先来实现加密：

1. 生成随机盐值

2. 对 明文 + 随机盐值进行MD5加密

    /**
     * 对用户注册密码进行加密
     * @param password 用户注册密码
     * @return 数据库中存储信息(盐值 + 密文)
     */
    public static String encipher(String password) {
        // 生成盐值
        String salt = UUID.randomUUID().toString().replace("-", "");
        //将盐值 + 明文进行加密
        String secretPassword = DigestUtils.md5DigestAsHex((salt + password).getBytes());
        return salt + secretPassword;
    }

接下来，我们实现验证：

1. 校验输入的密码是否有效

2. 校验数据库中存储的密码是否有效

3. 获取盐值

4. 根据用户登录输入的密码和盐值进行加密，生成哈希值

5. 比较生成的哈希值和数据库中存储的密文是否相同

    /**
     * 验证密码是否正确
     * @param inputPassword 用户登录时输入的密码
     * @param sqlPassword 数据库中存储的密码(盐值 + 密文)
     * @return 密码是否正确
     */

    public static Boolean verify(String inputPassword, String sqlPassword) {
        //校验
        if(!StringUtils.hasLength(inputPassword)) {
            return false;
        }
        if(!StringUtils.hasLength(sqlPassword) || sqlPassword.length() != 64) {
            return false;
        }
        // 解析盐值
        String salt = sqlPassword.substring(0, 32);
        // 生成哈希值
        String secretPassword = DigestUtils.md5DigestAsHex((salt + inputPassword).getBytes());
        //判断是否相同
        return sqlPassword.equals(salt + secretPassword);
    }

 除了使用 MD5进行加密，我们也可以使用 AES、RSA等加密算法或自己实现加密算法进行加密

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