数字签名、信息加密 是前后端开发都经常需要使用到的技术，应用场景包括了用户登入、交易、信息通讯、oauth 等等，不同的应用场景也会需要使用到不同的签名加密算法，或者需要搭配不一样的 签名加密算法 来达到业务目标。这里简单的给大家介绍几种常见的签名加密算法和一些典型场景下的应用。

正文

1. 数字签名

数字签名，简单来说就是通过提供 可鉴别 的 数字信息 验证 自身身份 的一种方式。一套 数字签名 通常定义两种互补的运算，一个用于签名，另一个用于验证。分别由 发送者 持有能够 代表自己身份 的私钥 (私钥不可泄露),由 接受者 持有与私钥对应的公钥，能够在接受到来自发送者信息时用于验证其身份。

注意：图中加密过程有别于公钥加密，更多介绍戳这里。签名最根本的用途是要能够唯一证明发送方的身份，防止中间人攻击、CSRF 跨域身份伪造。基于这一点在诸如设备认证、用户认证、第三方认证等认证体系中都会使用到签名算法 (彼此的实现方式可能会有差异)。

2. 加密和解密

2.1. 加密

数据加密 的基本过程，就是对原来为明文的文件或数据按 某种算法 进行处理，使其成为 不可读 的一段代码，通常称为 “密文”。通过这样的途径，来达到 保护数据 不被 非法人窃取、阅读的目的。

2.2. 解密

加密的 逆过程 为解密，即将该 编码信息 转化为其 原来数据 的过程。

3. 对称加密和非对称加密

加密算法分 对称加密 和 非对称加密，其中对称加密算法的加密与解密 密钥相同，非对称加密算法的加密密钥与解密 密钥不同，此外，还有一类 不需要密钥 的 散列算法。

常见的对称加密算法主要有 DES、3DES、AES 等，常见的非对称算法主要有 RSA、DSA 等，散列算法主要有 SHA-1、MD5 等。

3.1. 对称加密

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。

数据加密过程：在对称加密算法中，数据发送方 将明文 (原始数据) 和 加密密钥 一起经过特殊 加密处理，生成复杂的 加密密文 进行发送。

数据解密过程：数据接收方 收到密文后，若想读取原数据，则需要使用 加密使用的密钥 及相同算法的 逆算法 对加密的密文进行解密，才能使其恢复成 可读明文。

3.2. 非对称加密

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。

如果使用公钥对数据 进行加密，只有用对应的私钥才能 进行解密。

如果使用私钥对数据 进行加密，只有用对应的公钥才能 进行解密。

例子：甲方生成一对密钥并将其中的一把作为公钥向其它人公开，得到该公钥的乙方使用该密钥对机密信息进行加密后再发送给甲方，甲方再使用自己保存的另一把专用密钥 (私钥)，对加密后的信息进行解密。

4. 常见的签名加密算法

4.1. MD5算法

因为是信息摘要，所以基本不可逆

MD5 用的是 哈希函数，它的典型应用是对一段信息产生 信息摘要，以 防止被篡改。严格来说，MD5 不是一种 加密算法 而是 摘要算法。无论是多长的输入，MD5 都会输出长度为 128bits 的一个串 (通常用 16 进制表示为 32 个字符)。

4.2. SHA1算法

SHA1 是和 MD5 一样流行的 消息摘要算法，然而 SHA1 比 MD5 的 安全性更强。对于长度小于 2 ^ 64 位的消息，SHA1 会产生一个 160 位的 消息摘要。基于 MD5、SHA1 的信息摘要特性以及 不可逆 (一般而言)，可以被应用在检查 文件完整性 以及 数字签名 等场景。

4.3. HMAC算法

HMAC 是密钥相关的 哈希运算消息认证码（Hash-based Message Authentication Code），HMAC 运算利用 哈希算法 (MD5、SHA1 等)，以 一个密钥 和 一个消息 为输入，生成一个 消息摘要 作为输出。

HMAC 发送方 和 接收方 都有的 key 进行计算，而没有这把 key 的第三方，则是 无法计算 出正确的 散列值的，这样就可以 防止数据被篡改。

测试结论：HMAC 算法实例在多线程环境下是不安全的。但是需要在多线程访问时，进行同步的辅助类，使用 ThreadLocal 为每个线程缓存一个实例可以避免进行锁操作。

4.4. AES/DES/3DES算法

AES、DES、3DES 都是对称的 块加密算法，加解密 的过程是 可逆的。常用的有 AES128、AES192、AES256 (默认安装的 JDK 尚不支持 AES256，需要安装对应的 jce 补丁进行升级 jce1.7，jce1.8)。

4.4.1. DES算法

DES 加密算法是一种 分组密码，以 64 位为 分组对数据 加密，它的 密钥长度 是 56 位，加密解密 用 同一算法。

DES 加密算法是对密钥进行保密，而 公开算法，包括加密和解密算法。这样，只有掌握了和发送方 相同密钥 的人才能解读由 DES加密算法加密的密文数据。因此，破译 DES 加密算法实际上就是 搜索密钥的编码。对于 56 位长度的密钥来说，如果用 穷举法 来进行搜索的话，其运算次数为 2 ^ 56 次。

4.4.2. 3DES算法

是基于 DES 的 对称算法，对 一块数据 用 三个不同的密钥 进行 三次加密，强度更高。

4.4.3. AES算法

AES（Advanced Encryption Standard）是一种对称加密算法，它使用相同的密钥进行加密和解密。在使用 AES 算法进行加密时，通常需要以下参数：

密钥（Key）：AES 算法使用的密钥长度可以是 128 位、192 位或 256 位（16/24/32字节）。密钥长度不同，安全性也不同。

初始向量（Initialization Vector，IV）：初始向量是一个随机生成的固定长度的参数，用于增加加密的安全性，尤其是在对同一段明文进行多次加密时。IV 的长度通常为 128 位（16字节）。

加密模式（Mode of Operation）：AES 算法支持多种加密模式，例如 ECB、CBC、CTR、OFB、CFB 等。每种模式有不同的特点和适用场景，选择合适的加密模式对于实际应用至关重要。

填充方式（Padding）：在对明文进行加密时，如果明文的长度不是分组长度的整数倍，就需要对其进行填充。常用的填充方式有 PKCS#5、PKCS#7 填充、Zero 填充等。

字符编码（Character Encoding）：在对明文进行加密前，通常需要将其转换为字节流。这时需要指定字符编码，如 UTF-8、ASCII 等。

密钥衍生（Key Derivation）：有时候会使用密钥衍生函数（Key Derivation Function，KDF）从密码中派生出实际用于加密的密钥。

这些参数的选择和配置需要根据具体的应用场景和安全需求来确定。特别注意，加密和解密过程需要相同的密钥和初始向量才能正确执行。

AES：

aes是基于数据块的加密方式，也就是说，每次处理的数据时一块（16字节），当数据不是16字节的倍数时填充，这就是所谓的分组密码（区别于基于比特位的流密码），16字节是分组长度

分组加密的几种模式：

ECB：是一种基础的加密方式，密文被分割成分组长度相等的块（不足补齐），然后单独一个个加密，一个个输出组成密文。

CBC：是一种循环模式，前一个分组的密文和当前分组的明文异或或操作后再加密，这样做的目的是增强破解难度。

CFB/OFB：实际上是一种反馈模式，目的也是增强破解的难度。

FCB和CBC的加密结果是不一样的，两者的模式不同，而且CBC会在第一个密码块运算时加入一个初始化向量。

AES 加密算法是密码学中的 高级加密标准，该加密算法采用 对称分组密码体制，密钥长度的最少支持为 128 位、 192 位、256 位，分组长度 128 位，算法应易于各种硬件和软件实现。这种加密算法是美国联邦政府采用的 区块加密标准。

AES 本身就是为了取代 DES 的，AES 具有更好的 安全性、效率和 灵活性。

4.5. RSA算法

RSA 加密算法是目前最有影响力的 公钥加密算法，并且被普遍认为是目前 最优秀的公钥方案 之一。RSA 是第一个能同时用于加密和 数字签名 的算法，它能够抵抗到目前为止已知的 所有密码攻击，已被 ISO 推荐为公钥数据加密标准。

RSA 加密算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。

4.6. ECC算法

ECC 也是一种 非对称加密算法，主要优势是在某些情况下，它比其他的方法使用 更小的密钥，比如 RSA 加密算法，提供 相当的或更高等级 的安全级别。不过一个缺点是 加密和解密操作 的实现比其他机制 时间长 (相比 RSA 算法，该算法对 CPU 消耗严重)。

5. 各种加密算法对比

5.1. 散列算法比较

名称	安全性	速度
SHA-1	高	慢
MD5	中	快

5.2. 对称加密算法比较

名称	密钥名称	运行速度	安全性	资源消耗
DES	56位	较快	低	中
3DES	112位或168位	慢	中	高
AES	128、192、256位	快	高	低

5.3. 非对称加密算法比较

名称	成熟度	安全性	运算速度	资源消耗
RSA	高	高	中	中
ECC	高	高	慢	高

5.4. 对称算法与非对称加密算法

5.4.1. 对称算法

密钥管理：比较难，不适合互联网，一般用于内部系统

安全性：中

加密速度：快好 几个数量级 (软件加解密速度至少快 100 倍，每秒可以加解密数 M 比特数据)，适合大数据量的加解密处理

5.4.2. 非对称算法

密钥管理：密钥容易管理

安全性：高

加密速度：比较慢，适合 小数据量 加解密或数据签名

小结

本文介绍了 数字签名，加密和解密，对称加密和非对称加密，然后详细介绍了 MD5，SHA-1，HMAC，DES/AES，RSA 和 ECC 这几种加密算法和代码示例。

作者：零壹技术栈链接：https://juejin.cn/post/6844903638117122056来源：稀土掘金著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

Last update: 2024-4-16