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一、凱撒密碼

1. 概述

凱撒密碼作為一種最為古老的對稱加密體制，在古羅馬的時候都已經很流行，他的基本思想是：通過把字母移動一定的位數來實現加密和解密。明文中的所有字母都在字母表上向後（或向前）按照一個固定數目進行偏移後被替換成密文。例如，當偏移量是3 的時候，所有的字母A 將被替換成D，B 變成E，由此可見，位數就是凱撒密碼加密和解密的金鑰。

例如：字串”ABC”的每個字元都右移3 位則變成”DEF”，解密的時候”DEF”的每個字元左移3 位即能還原，如下圖所示：

2. 準備知識

 //字元轉換成ASCII 碼數值
 char
 
 charA = 'a';
 int intA = charA; //char 強轉為int 即得到對應的ASCII 碼值，’a’的值為97

//ASCII 碼值轉成char
int intA = 97;//97 對應的ASCII 碼’a’
char charA = (char) intA; //int 值強轉為char 即得到對應的ASCII 字元，即'a'

3. 凱撒密碼的簡單程式碼實現

    /**
     * 加密
     * @param input 資料來源（需要加密的資料）
     * @param key 祕鑰，即偏移量
     * @return 返回加密後的資料
     */
 

    public static String encrypt(String input, int key) {
        //得到字串裡的每一個字元
        char[] array = input.toCharArray();

        for (int i = 0; i < array.length; ++i) {
            //字元轉換成ASCII 碼值
            int ascii = array[i];
            //字元偏移，例如a->b
            ascii = ascii + key;
            //ASCII 碼值轉換為char
 

            char newChar = (char) ascii;
            //替換原有字元
            array[i] = newChar;

            //以上4 行程式碼可以簡寫為一行
            //array[i] = (char) (array[i] + key);
        }

        //字元陣列轉換成String
        return new String(array);
    }

    /**
     * 解密
     * @param input 資料來源（被加密後的資料）
     * @param key 祕鑰，即偏移量
     * @return 返回解密後的資料
     */
    public static String decrypt(String input, int key) {
        //得到字串裡的每一個字元
        char[] array = input.toCharArray();
        for (int i = 0; i < array.length; ++i) {
            //字元轉換成ASCII 碼值
            int ascii = array[i];
            //恢復字元偏移，例如b->a
            ascii = ascii - key;
            //ASCII 碼值轉換為char
            char newChar = (char) ascii;
            //替換原有字元
            array[i] = newChar;

            //以上4 行程式碼可以簡寫為一行
            //array[i] = (char) (array[i] - key);
        }

        //字元陣列轉換成String
        return new String(array);
    }

程式碼輸出結果：

4. 破解凱撒密碼：頻率分析法

凱撒密碼加密強度太低，只需要用頻度分析法即可破解。
在任何一種書面語言中，不同的字母或字母組合出現的頻率各不相同。而且，對於以這種語言書寫的任意一段文字，都具有大致相同的特徵字母分佈。比如，在英語中，字母E 出現的頻率很高，而X 則出現得較少。

英語文字中典型的字母分佈情況如下圖所示：

5. 破解流程

• 統計密文裡出現次數最多的字元，例如出現次數最多的字元是是’h’。
• 計算字元’h’到’e’的偏移量，值為3，則表示原文偏移了3 個位置。
• 將密文所有字元恢復偏移3 個位置。

注意點：統計密文裡出現次數最多的字元時，需多統計幾個備選，因為最多的可能是空格或者其他字元，例如下圖出現次數最多的字元’#’是空格加密後的字元，’h’才是’e’偏移後的值。

解密時要多幾次嘗試，因為不一定出現次數最多的字元就是我們想要的目標字元，如下圖，第二次解密的結果才是正確的。

/**
 * 頻率分析法破解凱撒密碼
 */
public class FrequencyAnalysis {
    //英文裡出現次數最多的字元
    private static final char MAGIC_CHAR = 'e';
    //破解生成的最大檔案數
    private static final int DE_MAX_FILE = 4;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //測試1，統計字元個數
        //printCharCount("article1_en.txt");

        //加密檔案
        //int key = 3;
        //encryptFile("article1.txt", "article1_en.txt", key);

        //讀取加密後的檔案
        String artile = file2String("article1_en.txt");
        //解密（會生成多個備選檔案）
        decryptCaesarCode(artile, "article1_de.txt");
    }

    public static void printCharCount(String path) throws IOException{
        String data = file2String(path);
        List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(data);
        for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {
            //輸出前幾位的統計資訊
            System.out.println("字元'" + entry.getKey() + "'出現" + entry.getValue() + "次");
        }
    }

    public static void encryptFile(String srcFile, String destFile, int key) throws IOException {
        String artile = file2String(srcFile);
        //加密檔案
        String encryptData = MyEncrypt.encrypt(artile, key);
        //儲存加密後的檔案
        string2File(encryptData, destFile);
    }

    /**
     * 破解凱撒密碼
     * @param input 資料來源
     * @return 返回解密後的資料
     */
    public static void decryptCaesarCode(String input, String destPath) {
        int deCount = 0;//當前解密生成的備選檔案數
        //獲取出現頻率最高的字元資訊（出現次數越多越靠前）
        List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(input);
        for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {
            //限制解密檔案備選數
            if (deCount >= DE_MAX_FILE) {
                break;
            }

            //輸出前幾位的統計資訊
            System.out.println("字元'" + entry.getKey() + "'出現" + entry.getValue() + "次");

            ++deCount;
            //出現次數最高的字元跟MAGIC_CHAR的偏移量即為祕鑰
            int key = entry.getKey() - MAGIC_CHAR;
            System.out.println("猜測key = " + key + "， 解密生成第" + deCount + "個備選檔案" + "\n");
            String decrypt = MyEncrypt.decrypt(input, key);

            String fileName = "de_" + deCount + destPath;
            string2File(decrypt, fileName);
        }
    }

    //統計String裡出現最多的字元
    public static List<Entry<Character, Integer>> getMaxCountChar(String data) {
        Map<Character, Integer> map = new HashMap<Character, Integer>();
        char[] array = data.toCharArray();
        for (char c : array) {
            if(!map.containsKey(c)) {
                map.put(c, 1);
            }else{
                Integer count = map.get(c);
                map.put(c, count + 1);
            }
        }

        //輸出統計資訊
        /*for (Entry<Character, Integer> entry : map.entrySet()) {
            System.out.println(entry.getKey() + "出現" + entry.getValue() +  "次");
        }*/

        //獲取獲取最大值
        int maxCount = 0;
        for (Entry<Character, Integer> entry : map.entrySet()) {
            //不統計空格
            if (/*entry.getKey() != ' ' && */entry.getValue() > maxCount) { 
                maxCount = entry.getValue();
            }
        }

        //map轉換成list便於排序
        List<Entry<Character, Integer>> mapList = new ArrayList<Map.Entry<Character,Integer>>(map.entrySet());
        //根據字元出現次數排序
        Collections.sort(mapList, new Comparator<Entry<Character, Integer>>(){
            @Override
            public int compare(Entry<Character, Integer> o1,
                    Entry<Character, Integer> o2) {
                return o2.getValue().compareTo(o1.getValue());
            }
        });
        return mapList;
    }

    public static String file2String(String path) throws IOException {
        FileReader reader = new FileReader(new File(path));
        char[] buffer = new char[1024];
        int len = -1;
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        while ((len = reader.read(buffer)) != -1) {
            sb.append(buffer, 0, len);
        }
        return sb.toString();
    }

    public static void string2File(String data, String path){
        FileWriter writer = null;
        try {
            writer = new FileWriter(new File(path));
            writer.write(data);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            if (writer != null) {
                try {
                    writer.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

    }
}

二、對稱加密

1、概述

加密和解密都使用同一把祕鑰，這種加密方法稱為對稱加密，也稱為單金鑰加密。
簡單理解為：加密解密都是同一把鑰匙。
凱撒密碼就屬於對稱加密，他的字元偏移量即為祕鑰。

2、對稱加密常用演算法

AES、DES、3DES、TDEA、Blowfish、RC2、RC4、RC5、IDEA、SKIPJACK 等。

DES
全稱為Data Encryption Standard，即資料加密標準，是一種使用金鑰加密的塊演算法，1976 年被美國聯邦政府的國家標準局確定為聯邦資料處理標準（FIPS），隨後在國際上廣泛流傳開來。

3DES
也叫Triple DES，是三重資料加密演算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）塊密碼的通稱。
它相當於是對每個資料塊應用三次DES 加密演算法。由於計算機運算能力的增強，原版DES 密碼的金鑰長度變得容易被暴力破解；3DES 即是設計用來提供一種相對簡單的方法，即通過增加DES 的金鑰長度來避免類似的攻擊，而不是設計一種全新的塊密碼演算法。

AES
高階加密標準（英語：Advanced Encryption Standard，縮寫：AES），在密碼學中又稱Rijndael 加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。這個標準用來替代原先的DES，已經被多方分析且廣為全世界所使用。經過五年的甄選流程，高階加密標準由美國國家標準與技術研究院（NIST）於2001 年11 月26 日釋出於FIPS PUB 197，並在2002 年5 月26 日成為有效的標準。2006 年，高階加密標準已然成為對稱金鑰加密中最流行的演算法之一。

3、DES 演算法簡介

DES 加密原理（對位元位進行操作，交換位置，異或等等，無需詳細瞭解）

準備知識

Bit 是計算機最小的傳輸單位。以0 或1 來表示位元位的值
例如數字3 對應的二進位制資料為：00000011

程式碼示例

 int i = 97;
 String bit = Integer.toBinaryString(i);
 //輸出：97 對應的二進位制資料為： 1100001
 System.out.println(i + "對應的二進位制資料為： " + bit);

Byte 與Bit 區別

資料儲存是以“位元組”（Byte）為單位，資料傳輸是大多是以“位”（bit，又名“位元”）為單位，一個位就代表一個0 或1（即二進位制），每8 個位（bit，簡寫為b）組成一個位元組（Byte，簡寫為B），是最小一級的資訊單位。

Byte 的取值範圍：

//byte 的取值範圍：-128 到127
System.out.println(Byte.MIN_VALUE + "到" + Byte.MAX_VALUE);

即10000000 到01111111 之間，一個位元組佔8 個位元位

二進位制轉十進位制圖示：

任何字串都可以轉換為位元組陣列

String data = "1234abcd";
byte[] bytes = data.getBytes();//內容為：49 50 51 52 97 98 99 100

上面資料49 50 51 52 97 98 99 100 對應的二進位制資料（即位元位為）：
00110001
00110010
00110011
00110100
01100001
01100010
01100011
01100100

將他們間距調大一點，可看做一個矩陣：

之後可對他們進行各種操作，例如交換位置、分割、異或運算等，常見的加密方式就是這樣操作位元位的，例如下圖的IP 置換以及S-Box 操作都是常見加密的一些方式：

IP 置換：

S-BOX 置換：

DES 加密過程圖解（流程很複雜，只需要知道內部是操作位元位即可）：

對稱加密應用場景

• 本地資料加密（例如加密android 裡SharedPreferences 裡面的某些敏感資料）
• 網路傳輸：登入介面post 請求引數加密{username=lisi,pwd=oJYa4i9VASRoxVLh75wPCg==}
• 加密使用者登入結果資訊並序列化到本地磁碟(將user 物件序列化到本地磁碟，下次登入時反序列化到記憶體裡)
• 網頁互動資料加密（即後面學到的Https）

DES 演算法程式碼實現

 //1,得到cipher 物件（可翻譯為密碼器或密碼系統）
 Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
 //2，建立祕鑰
 SecretKey key = KeyGenerator.getInstance("DES").generateKey();
 //3，設定操作模式（加密/解密）
 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
 //4，執行操作
 byte[] result = cipher.doFinal("黑馬".getBytes());

AES 演算法程式碼實現

用法同上，只需把”DES”引數換成”AES”即可。

使用Base64 編碼加密後的結果

byte[] result = cipher.doFinal("黑馬".getBytes());
System.out.println(new String(result));

輸出結果：

加密後的結果是位元組陣列，這些被加密後的位元組在碼錶（例如UTF-8 碼錶）上找不到對應字元，會出現亂碼，當亂碼字串再次轉換為位元組陣列時，長度會變化，導致解密失敗，所以轉換後的資料是不安全的。

使用Base64 對位元組陣列進行編碼，任何位元組都能對映成對應的Base64 字元，之後能恢復到位元組陣列，利於加密後資料的保存於傳輸，所以轉換是安全的。同樣，位元組陣列轉換成16 進位制字串也是安全的。

密文轉換成Base64 編碼後的輸出結果：

密文轉換成16 進位制編碼後的輸出結果：

Java 裡沒有直接提供Base64 以及位元組陣列轉16 進位制的Api，開發中一般是自己手寫或直接使用第三方提供的成熟穩定的工具類（例如apache 的commons-codec）。

Base64 字元對映表

對稱加密的具體應用方式

1、生成祕鑰並儲存到硬碟上，以後讀取該祕鑰進行加密解密操作，實際開發中用得比較少

//生成隨機祕鑰
SecretKey secretKey = KeyGenerator.getInstance("AES").generateKey();
//序列化祕鑰到磁碟上
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("heima.key"));

ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(secretKey);

//從磁盤裡讀取祕鑰
FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("heima.key"));
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
Key key = (Key) ois.readObject();

2、使用自定義祕鑰（祕鑰寫在程式碼裡）

//建立金鑰寫法1
KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
SecretKey secretKey = SecretKeyFactory.getInstance(ALGORITHM).
generateSecret(keySpec);

//建立金鑰寫法2
//SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key.getBytes(), KEY_ALGORITHM);

Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
//得到key 後，後續程式碼就是Cipher 的寫法，此處省略...

注意事項

把祕鑰寫在程式碼裡有一定風險，當別人反編譯程式碼的時候，可能會看到祕鑰，android 開發裡建議用JNI 把祕鑰值寫到C 程式碼裡，甚至拆分成幾份，最後再組合成真正的祕鑰

演算法/工作模式/填充模式

初始化cipher 物件時，引數可以直接傳演算法名：例如：

Cipher c = Cipher.getInstance("DES");

也可以指定更詳細的引數，格式：”algorithm/mode/padding” ，即”演算法/工作模式/填充模式”

Cipher c = Cipher.getInstance("DES/CBC/PKCS5Padding");

密碼塊工作模式

塊密碼工作模式(Block cipher mode of operation)，是對於按塊處理密碼的加密方式的一種擴充，不僅僅適用於AES，包括DES, RSA 等加密方法同樣適用。

填充模式

填充(Padding)，是對需要按塊處理的資料，當資料長度不符合塊處理需求時，按照一定方法填充滿塊長的一種規則。

具體程式碼：

//祕鑰演算法
private static final String KEY_ALGORITHM = "DES";
//加密演算法：algorithm/mode/padding 演算法/工作模式/填充模式
private static final String CIPHER_ALGORITHM = "DES/ECB/PKCS5Padding";
//祕鑰
private static final String KEY = "12345678";//DES 祕鑰長度必須是8 位或以上
//private static final String KEY = "1234567890123456";//AES 祕鑰長度必須是16 位

//初始化祕鑰
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(KEY.getBytes(), KEY_ALGORITHM);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);

//加密
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
byte[] result = cipher.doFinal(input.getBytes());

注意：AES、DES 在CBC 操作模式下需要iv 引數

//AES、DES 在CBC 操作模式下需要iv 引數
IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(key.getBytes());

//加密
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, iv);

三、總結

DES 安全度在現代已經不夠高，後來又出現的3DES 演算法強度提高了很多，但是其執行效率低下，AES演算法加密強度大，執行效率高，使用簡單，實際開發中建議選擇AES 演算法。實際android 開發中可以用對稱加密（例如選擇AES 演算法）來解決很多問題，例如：

• 做一個管理密碼的app，我們在不同的網站裡使用不同賬號密碼，很難記住，想做個app 統一管理，但是賬號密碼儲存在手機裡，一旦丟失了容易造成安全隱患，所以需要一種加密演算法，將賬號密碼資訊加密起來保管，這時候如果使用對稱加密演算法，將資料進行加密，祕鑰我們自己記在心裡，只需要記住一個密碼。需要的時候可以還原資訊。
• android 裡需要把一些敏感資料儲存到SharedPrefrence 裡的時候，也可以使用對稱加密，這樣可以在需要的時候還原。
• 請求網路介面的時候，我們需要上傳一些敏感資料，同樣也可以使用對稱加密，服務端使用同樣的演算法就可以解密。或者服務端需要給客戶端傳遞資料，同樣也可以先加密，然後客戶端使用同樣演算法解密。