Java 密码学：加密与哈希 – 实用指南

Java 密码学：加密与哈希 – 完整指南

密码学是现代应用程序安全的基础。Java 内置了强大且灵活的加密与哈希处理基础设施——Java Cryptography Architecture (JCA) 和 Java Cryptography Extension (JCE)。这些库支持实现对称加密（AES）和非对称加密（RSA），以及密码学哈希（SHA-256）。在本文中，我们将解析关键概念，并编写纯 Java（无第三方依赖）的工作示例。

基本概念与 JCA/JCE 架构

JCA 提供了执行密码学操作的框架。其核心思想是提供者（providers），它们实现具体的算法。默认情况下，JDK 包含 SUN 提供者（用于哈希）和 SunJCE 提供者（用于加密）。主要类位于 javax.crypto 和 java.security 包中。

• Cipher — 用于加密和解密的主要类。
• KeyGenerator — 生成对称密钥。
• KeyPairGenerator — 生成非对称加密的密钥对。
• MessageDigest — 计算哈希值。
• SecretKeySpec — 从字节数组表示对称密钥。

对称加密：AES

AES（高级加密标准）是最流行的对称算法。它使用同一个密钥进行加密和解密。推荐使用 GCM 模式（认证加密）或带 PKCS5Padding 的 CBC 模式。以下是使用 AES-256/GCM 加密字符串的示例。

import javax.crypto.Cipher;import javax.crypto.KeyGenerator;import javax.crypto.SecretKey;import javax.crypto.spec.GCMParameterSpec;import java.security.SecureRandom;import java.util.Base64;

public class AESGCMExample {    private static final int AES_KEY_SIZE = 256;    private static final int GCM_IV_LENGTH = 12;    private static final int GCM_TAG_LENGTH = 128;

    public static SecretKey generateKey() throws Exception {        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");        keyGen.init(AES_KEY_SIZE, SecureRandom.getInstanceStrong());        return keyGen.generateKey();    }

    public static String encrypt(String plaintext, SecretKey key) throws Exception {        byte[] iv = new byte[GCM_IV_LENGTH];        SecureRandom.getInstanceStrong().nextBytes(iv);        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");        GCMParameterSpec spec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH, iv);        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, spec);        byte[] cipherText = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());        byte[] encrypted = new byte[iv.length + cipherText.length];        System.arraycopy(iv, 0, encrypted, 0, iv.length);        System.arraycopy(cipherText, 0, encrypted, iv.length, cipherText.length);        return Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted);    }

    public static String decrypt(String encryptedData, SecretKey key) throws Exception {        byte[] decoded = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);        byte[] iv = new byte[GCM_IV_LENGTH];        System.arraycopy(decoded, 0, iv, 0, iv.length);        byte[] cipherText = new byte[decoded.length - iv.length];        System.arraycopy(decoded, iv.length, cipherText, 0, cipherText.length);        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");        GCMParameterSpec spec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH, iv);        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, spec);        return new String(cipher.doFinal(cipherText));    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {        SecretKey key = generateKey()