Android 關於資料加密和編碼的總結
最近正好在專案中用到資料加密，於是從網上查閱一些資料，瞭解各種加密方式並寫程式碼驗證，就在本篇文章中做個總結吧。
我將從這幾個方面介紹 Android 中的加密方式以及相關的概念：
1. 異或加密
2. MD5 演算法
3. Base64 編碼
4. DES 加密
5. AES 加密
6. RSA 加密
從嚴格意義上來說，MD5 和 Base64 不屬於加密，它們分別是資訊摘要演算法和編碼方式，但是網上好多人都說 MD5 加密、Base64 加密，我覺得有必要糾正一下。對於其他的幾種加密方式，下面我會一一進行舉例說明。
1. 異或加密
異或運算（xor）有個特點：數 a 兩次異或同一個數 b 仍然為 a，即 (a^b)^b=a 。利用這個原理可以實現資料的加密和解密功能。
舉個栗子：a=10100001，b=00000110
a=a^b； // a=10100111 b=b^a； // b=10100001，此時 b 等於 a
異或運算直接對二進位制資料進行操作，對每一位（bit）上的資料進行變換。所以輸入和輸出的資料長度相同，不佔用額外的空間，可以用於字元和檔案的加密，效率比較高。下面我們用程式碼實踐一下：
// 加密的金鑰，構造一定長度的位元組陣列
private final static byte[] KEY_BYTES = "Vp6flFpGW86g7hi6MhD3Zl2eThJTjPnIjXE4".getBytes();
private final static int KEY_LENGTH = KEY_BYTES.length;
/**
* 異或運算加密
*
* @param input 要加密的內容
* @return 加密後的資料
*/
public static byte[] xorEncode(byte[] input) {
int keyIndex = 0;
int length = input.length;
for (int i = 0; i < length; i++) {
input[i] = (byte) (input[i] ^ KEY_BYTES[(keyIndex++ % KEY_LENGTH)]);
}
return input;
}
/**
* 異或運算解密
*
* @param input 要解密的內容
* @return 解密後的資料
*/
public static byte[] xorDecode(byte[] input) {
int keyIndex = 0;
int length = input.length;
for (int i = 0; i < length; i++) {
input[i] = (byte) (input[i] ^ KEY_BYTES[(keyIndex++ % KEY_LENGTH)]);
}
return input;
}
為了方便檢視加密後的內容，這裡對輸出結果做了一下 Base64 編碼。
輸入：123456abcdef，輸出：Z0IFUl1aJzooFCIx
2. MD5 編碼
MD5 是將任意長度的資料字串轉化成短小的固定長度的值的單向操作，任意兩個字串不應有相同的雜湊值。因此 MD5 經常用於校驗字串或者檔案，因為如果檔案的 MD5 不一樣，說明檔案內容也是不一樣的，如果發現下載的檔案和給定的 MD5 值不一樣，就要慎重使用。
MD5 主要用做資料一致性驗證、數字簽名和安全訪問認證，而不是用作加密。比如說使用者在某個網站註冊賬戶時，輸入的密碼一般經過 MD5 編碼，更安全的做法還會加一層鹽（salt），這樣密碼就具有不可逆性。然後把編碼後的密碼存入資料庫，下次登入的時候把密碼 MD5 編碼，然後和資料庫中的作對比，這樣就提升了使用者賬戶的安全性。
使用 Java 實現簡單的 MD5 編碼：
/**
* 計算字串的 MD5
*
* @param text 原文
* @return 密文
*/
public static String md5Encode(String text) {
try {
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
byte[] digest = md.digest(text.getBytes());
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (byte b : digest) {
String hexString = Integer.toHexString(b & 0xFF);
if (hexString.length() == 1) {
hexString = "0" + hexString;
}
sb.append(hexString);
}
return sb.toString();
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
logger.error(e);
}
return null;
}
輸入：123456abcdef，輸出：6f3b8ded65bd7a4db11625ac84e579bb
3. Base64 編碼
Base64 編碼是我們程式開發中經常使用到的編碼方法，它用 64 個可列印字元來表示二進位制資料。這 64 個字元是：小寫字母 a-z、大寫字母 A-Z、數字 0-9、符號"+"、"/"（再加上作為墊字的"="，實際上是 65 個字元），其他所有符號都轉換成這個字符集中的字元。Base64 編碼通常用作儲存、傳輸一些二進位制資料編碼方法，所以說它本質上是一種將二進位制資料轉成文字資料的方案。
在 Android 中使用 Base64 很簡單，系統的 API 已經封裝好方法，我們直接呼叫即可。
// 編碼
String encode = Base64.encodeToString(" 123456abcdef".getBytes(), Base64.DEFAULT);
// 解碼
byte[] decodeByte = Base64.decode(encode .getBytes(), Base64.DEFAULT);
String decode = new String(decodeByte);
輸入：123456abcdef，輸出：MTIzNDU2YWJjZGVm
無論是編碼還是解碼都會有一個引數 flags，系統 API 提供了以下幾種：
- DEFAULT：表示使用預設的方法來加密。
- NO_PADDING：表示省略加密字串最後的 "="。
- NO_WRAP：表示省略所有的換行符（設定後 CRLF 就會失去作用）。
- CRLF：表示使用 CR、LF 這一對作為一行的結尾而不是 Unix 風格的 LF。
- URL_SAFE：表示加密時不使用對 URL 和檔名有特殊意義的字元來作為加密字元，就是以 "-" 和 "_" 代替 "+" 和 "/"。
4. DES 加密
DES 是一種對稱加密演算法，所謂對稱加密演算法就是：加密和解密使用相同金鑰的演算法。DES 加密演算法出自 IBM 的研究，後來被美國政府正式採用，之後開始廣泛流傳。但近些年使用越來越少，因為 DES 使用 56 位金鑰，以現代的計算能力，24 小時內即可被破解。
順便說一下 3DES（Triple DES），它是 DES 向 AES 過渡的加密演算法，使用 3 條 56 位的金鑰對資料進行三次加密。是 DES 的一個更安全的變形。它以 DES 為基本模組，通過組合分組方法設計出分組加密演算法。比起最初的 DES，3DES 更為安全。
使用 Java 實現 DES 加密解密，注意密碼長度要是 8 的倍數。加密和解密的 Cipher 構造引數一定要相同，不然會報錯。
/* 加密使用的 key */
private final static byte[] KEY_BYTES = "Vp6fhlFXKpGW8k6QPRg7Q6Jb7HyAhRi6MIhJ2YtGD3Zl26eTthJTj5PnIjXH5EI4".getBytes();
/**
* DES 加密
*
* @param content 待加密內容
* @param key加密的金鑰
* @return 加密後的位元組陣列
*/
public static byte[] encryptDES(byte[] content, byte[] key) {
try {
SecureRandom random = new SecureRandom();
DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(key);
SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(desKey);
// DES 是加密方式, EBC 是工作模式, PKCS5Padding 是填充模式
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, random);
return cipher.doFinal(content);
} catch (Exception e) {
logger.error(e);
}
return null;
}
/**
* DES 解密
*
* @param content 待解密內容
* @param key解密的金鑰
* @return 解密的資料
*/
public static byte[] decryptDES(byte[] content, byte[] key) {
try {
SecureRandom random = new SecureRandom();
DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(key);
SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(desKey);
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, random);
return cipher.doFinal(content);
} catch (Exception e) {
logger.error(e);
}
return null;
}
輸入：123456abcdef，輸出：j1kR1+ZraO2Tg78dHueoTg==
5. AES 加密
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。簡單說就是 DES 的增強版，比 DES 的加密強度更高。
AES 與 DES 一樣，一共有四種加密模式：電子密碼本模式（ECB）、加密分組連結模式（CBC）、加密反饋模式（CFB）和輸出反饋模式（OFB）。關於加密模式的介紹，推薦這篇文章： 高階加密標準AES的工作模式（ECB、CBC、CFB、OFB）
/* 加密使用的 key */
private static final String AES_KEY = "KUbHwTqBy6TBQ2gN";
/* 加密使用的 IV */
private static final String AES_IV = "pIbF6GR3XEN1PG05";
/**
* AES 加密
*
* @param content 待解密內容
* @param key金鑰
* @return 解密的資料
*/
public static byte[] encryptAES(byte[] content, byte[] key) {
try {
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
// AES 是加密方式, CBC 是工作模式, PKCS5Padding 是填充模式
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
// IV 是初始向量，可以增強密碼的強度
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec, new IvParameterSpec(AES_IV.getBytes()));
return cipher.doFinal(content);
} catch (Exception e) {
logger.error(e);
}
return null;
}
/**
* AES 解密
*
* @param content 待解密內容
* @param key金鑰
* @return 解密的資料
*/
public static byte[] decryptAES(byte[] content, byte[] key) {
try {
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec, new IvParameterSpec(AES_IV.getBytes()));
return cipher.doFinal(content);
} catch (Exception e) {
logger.error(e);
}
return null;
}
輸入：123456abcdef，輸出：ho9cn9SvmeisfJy6Pv96oQ==
6. RSA 加密
RSA演算法是一種非對稱加密演算法，所謂非對稱就是該演算法需要一對金鑰，若使用其中一個加密，則需要用另一個才能解密。目前它是最有影響力和最常用的公鑰加密演算法，能夠抵抗已知的絕大多數密碼攻擊。從提出到現今的三十多年裡，經歷了各種攻擊的考驗，逐漸為人們接受，普遍認為是目前最優秀的公鑰方案之一。
該演算法基於一個的數論事實：將兩個大質數相乘十分容易，但是想要對其乘積進行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密金鑰。由於進行的都是大數計算，RSA 最快的情況也比 DES 慢上好幾倍，比對應同樣安全級別的對稱密碼演算法要慢 1000 倍左右。所以 RSA 一般只用於少量資料加密，比如說交換對稱加密的金鑰。
使用 RSA 加密主要有這麼幾步：生成金鑰對、公開公鑰、公鑰加密私鑰解密、私鑰加密公鑰解密。
public static final String AES = "AES";
public static final String ECB_PKCS1_PADDING = "RSA/ECB/PKCS1Padding";
/**
* 隨機生成 RSA 金鑰對
*
* @param keyLength 金鑰長度, 範圍: 512～2048, 一般 1024
* @return 金鑰對
*/
public static KeyPair generateRSAKeyPair(int keyLength) {
try {
KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(RSA);
kpg.initialize(keyLength);
return kpg.genKeyPair();
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
logger.error(e);
}
return null;
}
/**
* 公鑰加密
*
* @param data原文
* @param publicKey 公鑰
* @return 加密後的資料
*/
public static byte[] encryptByPublicKey(byte[] data, byte[] publicKey) {
X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
try {
KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance(RSA);
PublicKey keyPublic = kf.generatePublic(keySpec);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(ECB_PKCS1_PADDING);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keyPublic);
return cipher.doFinal(data);
} catch (Exception e) {
logger.error(e);
}
return null;
}
/**
* 私鑰加密
*
* @param data待加密資料
* @param privateKey 金鑰
* @return 加密後的資料
*/
public static byte[] encryptByPrivateKey(byte[] data, byte[] privateKey) {
PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
try {
KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance(RSA);
PrivateKey keyPrivate = kf.generatePrivate(keySpec);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(ECB_PKCS1_PADDING);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keyPrivate);
return cipher.doFinal(data);
} catch (Exception e) {
logger.error(e);
}
return null;
}
/**
* 公鑰解密
*
* @param data待解密資料
* @param publicKey 金鑰
* @return 解密後的資料
*/
public static byte[] decryptByPublicKey(byte[] data, byte[] publicKey) {
X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
try {
KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance(RSA);
PublicKey keyPublic = kf.generatePublic(keySpec);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(ECB_PKCS1_PADDING);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keyPublic);
return cipher.doFinal(data);
} catch (Exception e) {
logger.error(e);
}
return null;
}
/**
* 私鑰解密
*
* @param data待解密的資料
* @param privateKey 私鑰
* @return 解密後的資料
*/
public static byte[] decryptByPrivateKey(byte[] data, byte[] privateKey) {
PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
try {
KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance(RSA);
PrivateKey keyPrivate = kf.generatePrivate(keySpec);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(ECB_PKCS1_PADDING);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keyPrivate);
return cipher.doFinal(data);
} catch (Exception e) {
logger.error(e);
}
return null;
}
金鑰對生成後是一串灰常長特別長的資料，大家可以對其 Base64 後看看公鑰和隨機性如何。使用測試資料 123456abcdef 加密過、Base64 編碼後的結果如下。加密這麼短的字串竟然生成這麼長的密文，難怪 RSA 演算法這麼慢！
密文 Base64 後：X6yx1XfkVk4DZpnzcCSZr2oK+WMP7Azm4fBcGNEwWPrRdtf9isfMeKgQsI6kqOF5Vb5b5IYAIqHZRE5QcDbIM/3bTWVTVg/t7enGCUSxValIvJ/A37syWTUXlh59DZzBMgzG4rbziGCc8CGyO03XFq8gCncr4NMZXQwkKI8Alds=
一般來說，客戶端和服務端的通訊過程是這樣的：服務端生成 RSA 加密的金鑰對，把公鑰給客戶端，私鑰偷偷保留。客戶端在首次使用公鑰加密資料，然後傳送給服務端。服務端接收並處理後，會把對稱加密的金鑰下發給客戶端。客戶端接收到對稱加密的金鑰，以後的通訊就會使用對稱加密的方式。當然也可以由客戶端生成對稱加密的金鑰，然後用公鑰加密發給服務端。這樣在雙方交換金鑰時保證了安全，之後的對稱加密保證了效率。
好了，關於 Android 加密和編碼的方式就先介紹這麼多，歡迎大家留言交流~
【附錄】
資料圖