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Java中哈希算法总结_java 哈希

java 哈希

 哈希算法(Hash Function)

哈希算法(Hash)又称摘要算法(Disgest),它的作用是:对任意一组输入数据进行计算,得到一个固定长度(16位)的输出摘要。

将任意长度的二进制值映射为固定长度的二进制值串,这个映射的规则就是哈希算法,而通过原始数据映射之后得到的二进制值串就是哈希值。

哈希算法的主要特点就是:

  • 相同的输入一定得到相同的输出
  • 不同的输入大概率得到不同的输出

所以,哈希算法的目的是为了验证原始数据是否被篡改。

 哈希碰撞

哈希碰撞是指两个不同的输入得到了相同的输出,例如:

 哈希碰撞是不可避免的,因为输出的字节长度是固定的,String的hashcode()输出时4字节整数,最多只有4294967296种输出,但输入的数据长度时不固定的,有无数种输入。所以,哈希算法是把一个无线的输入集合映射到一个有限的输出集合,必然会产生碰撞。一个安全的哈希算法必须满足: 

  • 碰撞概率低;
  • 不能猜出输出

       不能猜出输出是指输入的任意一个bit的变化会造成输出完全不同,这样就很难从输出反推输           入 (只能依靠暴力穷举)。

常用哈希算法

算法输出长度(位)输出长度(字节)
MD5128 bits16 bytes
SHA-1160 bits20 bytes
RipeMD-60160 bits20 bytes
SHA-256256 bits32 bytes
SHA-512512 bits64 bytes

MD5加密算法

MD5即Message-Digest Algorithm 5(信息-摘要算法5),用于确保信息传输完整一致。是计算机广泛使用的杂凑算法之一(又译摘要算法、哈希算法),主流编程语言普遍已有MD5实现。

MD5的作用是让大容量信息在用数字签名软件签署私人密钥前被"压缩"成一种保密的格式(就是把一个任意长度的字节串变换成一定长的16进制数字串)。

  1. package com.apesource.demo02;
  2. import java.security.MessageDigest;
  3. import java.security.NoSuchAlgorithmException;
  4. import java.util.Arrays;
  5. //MD5加密
  6. public class Demo01 {
  7. public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
  8. //创建基于MD5算法的消息摘要对象
  9. MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
  10. //更新原始数据
  11. md5.update("天王盖地虎".getBytes());
  12. //获取加密后的结果
  13. byte[] disgetsBytes = md5.digest();
  14. System.out.println("加密后的结果"+Arrays.toString(disgetsBytes));
  15. System.out.println("加密结果长度"+disgetsBytes.length);
  16. }
  17. }

 运行上述代码可以得出"天王盖地虎"的MD5加密后的结果[-54, 22, 32, 101, 73, -60, 77, 99, 77, -78, -48, -124, -125, 46, 113, 10],加密结果长度16

 按照MD5算法对图片进行"加密"

  1. package com.apesource.demo02;
  2. import java.io.IOException;
  3. import java.nio.file.Files;
  4. import java.nio.file.Paths;
  5. import java.security.MessageDigest;
  6. import java.security.NoSuchAlgorithmException;
  7. import java.util.Arrays;
  8. import com.apesource.demo.HashTools;
  9. //按照MD5算法对图片进行"加密"
  10. public class Demo02 {
  11. public static void main(String[] args) throws IOException, NoSuchAlgorithmException {
  12. //图片的原始字节内容
  13. byte[] imageBuf = Files.readAllBytes(Paths.get("C:\\Users\\Pictures\\xxx.jpg"));
  14. //创建基于MD5算法的消息摘要对象
  15. MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
  16. //原始字节内容(图片)
  17. md5.update(imageBuf);
  18. //获取加密摘要
  19. byte[] digestBytes = md5.digest();
  20. System.out.println("加密后的结果(字节数组):"+Arrays.toString(digestBytes));
  21. System.out.println("加密后的结果(16进制字符串):"+HashTools.bytesTohex(digestBytes));
  22. System.out.println("加密结果长度"+digestBytes.length);
  23. }
  24. }

SHA-1算法

SHA-1 也是一种哈希算法,它的输出是 160 bits,即 20 字节。 SHA-1 是由美国国家安全局开发的,SHA 算法实际上是一个系列,包括 SHA- 0(已废弃)、SHA-1 、SHA-256、SHA-512 等。
在 Java 中使用 SHA-1 ,和 MD5 完全一样,只需要把算法名称改为"SHA-1"

  1. package com.apesource.demo02;
  2. import java.io.UnsupportedEncodingException;
  3. import java.security.MessageDigest;
  4. import java.security.NoSuchAlgorithmException;
  5. public class Demo03 {
  6. public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException, UnsupportedEncodingException {
  7. //创建一个MessageDigest实例
  8. MessageDigest sha1 = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
  9. //调用update输入数据:
  10. sha1.update("Hello".getBytes("UTF-8"));
  11. //f7ff9e8b7bb2e09b70935a5d785e0cc5d9d0abf0
  12. byte[] results = sha1.digest();
  13. StringBuilder ret = new StringBuilder();
  14. for(byte b : results) {
  15. //将字节数组转换为两位十六进制字符串
  16. ret.append(String.format("%02x", b));
  17. }
  18. System.out.println(ret.toString());
  19. }
  20. }

Hash算法(消息摘要算法)工具类

  1. package com.apesource.demo02;
  2. import java.security.MessageDigest;
  3. import java.security.NoSuchAlgorithmException;
  4. //Hash算法(消息摘要算法)工具类
  5. public class HashTools {
  6. //消息摘要对象
  7. private static MessageDigest digest;
  8. //构造方法
  9. private HashTools() {}
  10. //按照MD5进行消息摘要计算(哈希算法)
  11. public static String digestByMD5(String source) throws NoSuchAlgorithmException{
  12. digest = MessageDigest.getInstance("MD5");
  13. return handler(source);
  14. }
  15. //按照SHA-1进行消息摘要计算(哈希算法)
  16. public static String digestBySHA1(String source) throws NoSuchAlgorithmException{
  17. digest = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
  18. return handler(source);
  19. }
  20. //通过消息摘要对象,处理加密内容
  21. public static String handler(String source) {
  22. digest.update(source.getBytes());
  23. byte[] bytes = digest.digest();
  24. String hash = bytesToHex(bytes);
  25. return hash;
  26. }
  27. //将字节数组转换为16进制字符串
  28. public static String bytesToHex(byte[] bytes) {
  29. StringBuilder ret = new StringBuilder();
  30. for(byte b : bytes) {
  31. //将字节数组转换为两位十六进制字符串
  32. ret.append(String.format("%02x", b));
  33. }
  34. return ret.toString();
  35. }
  36. }

使用哈希口令时,还要注意防止彩虹表攻击

通过随机加盐,解决彩虹表攻击问题

什么是彩虹表呢?上面讲到了,如果只拿到 MD5 ,从 MD5反推明文口令,只能使用暴力穷举的方法。然而黑客并不笨,暴力穷举会消耗大量的算力和时间。但是,如果有一个预先计算好的常用口令和它们的 MD5 的对照表,这个表就是彩虹表。如果用户使用了常用口令,黑客从 MD5 一下就能反查到原始口令。当然,我们也可以采取特殊措施来抵御彩虹表攻击:对每个口令额外添加随机数,这个方法称之为加盐(salt)。这个salt可以看作是一个额外的"认证码",同样的 输入,不同的认证码,会产生不同的输出。因此要验证输出的哈希,必须同时提供"认证码",代码实现如下

  1. package com.apesource.demo02;
  2. import java.security.MessageDigest;
  3. import java.security.NoSuchAlgorithmException;
  4. import java.util.UUID;
  5. import org.omg.PortableInterceptor.DISCARDING;
  6. import com.apesource.demo.HashTools;
  7. //通过随机加盐,解决彩虹表攻击问题
  8. public class Demo04 {
  9. public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
  10. //原始密码
  11. String password = "wbjxxmy";
  12. //属于即产生的盐值
  13. String salt = UUID.randomUUID().toString().substring(0,4);
  14. //创建基于SHA-1算法的消息摘要对象
  15. MessageDigest sha1 = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
  16. sha1.update(password.getBytes()); //原始密码
  17. sha1.update(salt.getBytes()); //盐值
  18. //计算加密结果,SHA-1的输出结果为20个字节(40个字符)
  19. String digestHex = HashTools.bytesTohex(sha1.digest());
  20. System.out.println(digestHex);
  21. }
  22. }

通过自定义工具类,完成对应加密处理

  1. package com.apesource.demo02;
  2. import java.security.NoSuchAlgorithmException;
  3. //通过自定义工具类,完成对应加密处理
  4. public class Demo05 {
  5. public static void main(String[] args) {
  6. try {
  7. //md5加密
  8. String md5 = HashTools.digestByMD5("wbjxxmy");
  9. //sha1加密
  10. String sha1 = HashTools.digestBySHA1("wbjxxmy");
  11. System.out.println("md5="+md5);
  12. System.out.println("sha1="+sha1);
  13. } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
  14. e.printStackTrace();
  15. }
  16. }
  17. }

Hmac算法

Hmac 算法就是一种基于密钥的消息认证码算法,它的全称是 Hash-based Message Authentication Code ,是种更安全的消息摘要算法。
Hmac 算法总是和某种哈希算法配合起来用的。例如,我们使用 MD5 算法,对应的就是 Hmac MD5 算法,它相当于“加盐”的 MD5 :HmacMD5 ≈ md5(secure_random_key, input)
因此,HmacMD5 可以看带有一个安全的 key 的 MD使用 HmacMD5 而不是用 MD5 加 salt ,有如下好处:

  • HmacMD5使用的是key长度是64字节,更安全
  • Hmac是标准算法,同样适用与SHA-1等其他哈希算法
  • Hmac输出和原有的哈希算法长度一致

 可见,Hmac 本质上就是把 key 混入摘要的算法。验证此哈希时,除了原始的输入数据,还要提供 key 。为了保证安全,我们不会自己指定 key ,而是通过 Java 标准库的 KeyGenerator 生成一个安全的随机的 key 。
下面是使用 HmacMD5 的参考代码:

  1. package com.apesource.demo02;
  2. import java.security.InvalidKeyException;
  3. import java.security.NoSuchAlgorithmException;
  4. import java.util.Arrays;
  5. import javax.crypto.KeyGenerator;
  6. import javax.crypto.Mac;
  7. import javax.crypto.SecretKey;
  8. //Hmac算法
  9. public class Demo06 {
  10. public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
  11. String password = "wbjxxmy";
  12. //一:产生秘钥
  13. //获取HmacMD5秘钥生成器
  14. KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("HmacMD5");
  15. //生成秘钥
  16. SecretKey key = keyGen.generateKey();
  17. System.out.println("秘钥:"+Arrays.toString(key.getEncoded()));
  18. System.out.println("秘钥长度(64字节):"+key.getEncoded().length);
  19. System.out.println("秘钥:"+HashTools.bytesToHex(key.getEncoded()));
  20. //二:使用秘钥,进行加密
  21. //获取HMac加密算法对象
  22. Mac mac = Mac.getInstance("HMacMD5");
  23. mac.init(key); //初始化秘钥
  24. mac.update(password.getBytes()); //更新原始加密内容
  25. byte[] bytes = mac.doFinal(); //加密处理,并获取加密结果
  26. String result = HashTools.bytesToHex(bytes); //加密结果处理成16进制字符串
  27. System.out.println("加密结果16进制字符串:"+result);
  28. System.out.println("加密结果(字节长度16字节):"+bytes.length);
  29. System.out.println("加密结果(字符长度32字符):"+result.length());
  30. }
  31. }

注:相同的秘钥产生的结果不同 

和 MD5 相比,使用 HmacMD5 的步骤是:

  1. 通过名称 HmacMD5 获取 KeyGenerator 实例
  2. 通过 KeyGenerator 创建一个 secretKey 实例
  3. 通过名称 HmacMD5 获取 Mac 实例
  4. 用 secretKey 初始化Mac实例
  5. 对 Mac 实例反复调用 update(byte[]) 输入数据
  6. 调用 Mac 实例的 dofinal() 获取最终的哈希值

 按照"字节数组" "字符串",恢复Hmac秘钥

  1. package com.apesource.demo02;
  2. import java.security.InvalidKeyException;
  3. import java.security.NoSuchAlgorithmException;
  4. import javax.crypto.Mac;
  5. import javax.crypto.SecretKey;
  6. import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
  7. //按照"字节数组" "字符串",恢复Hmac秘钥
  8. public class Demo07 {
  9. public static void main(String[] args) {
  10. //原始密码
  11. // String password = "wbjxxmy";
  12. // //秘钥(字节数组)
  13. // byte[] keybytes = {-97, 63, -18, -128, -127, 25, -55, -12, 76, 79, -66, -41, -17, -74, -109, -21, 125, -101, -72, 61, -43, -116, 87, -63, -42, 87, -78, 16, -16, -10, 105, 127, -57, 21, 117, -115, -39, 17, 116, -99, 121, -43, -22, 61, -74, 21, -12, 121, 24, 94, -80, -2, -100, 110, -125, 101, -7, 14, -16, -9, -47, 117, 90, -59};
  14. //
  15. //秘钥(字符串)
  16. String keystr = "2990f480743ea992a358e76c169f8bc7d415d38d0e10541282a393e456dfc13dc3e8ed17f62ba06f36aeaed1d7ebaa67f7edbc743dd883a5954d361e841ba1cc";
  17. // //用于保存秘钥:秘钥长度为64字节
  18. byte[] keybytes = new byte[64];
  19. for(int i = 0,k = 0;i<keystr.length();i+=2,k++) {
  20. String s = keystr.substring(i, i+2);
  21. keybytes[k] = (byte)Integer.parseInt(s,16); //转换成十六进制字节值
  22. }
  23. try {
  24. //恢复秘钥(字节数组)
  25. SecretKey key = new SecretKeySpec(keybytes,"HmacMD5");
  26. //创建Hmac加密算法对象
  27. Mac mac = Mac.getInstance("HmacMD5");
  28. mac.init(key); //初始化秘钥
  29. mac.update(password.getBytes());
  30. String result = HashTools.bytesToHex(mac.doFinal());
  31. //808956c674d77c826a8cbf0c594a8368
  32. System.out.println(result);
  33. } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
  34. e.printStackTrace();
  35. } catch (InvalidKeyException e) {
  36. e.printStackTrace();
  37. }
  38. }
  39. }

BouncyCastle

BouncyCastle就是一个提供了很多哈希算法和加密算法的第三方开源库。它提供了 Java 标准库没有的一些算法,例如,RipeMD169 哈希算法.
RIPEMD160是一种基于Merkle-Damgard 结构的加密哈希函数,它是比特币标准之一。RIPEMD-160是RIPEMD算法的增强版本RIPEMD-160算法可以产生出160位的的哈希摘要。

首先我们要先在project中导入bcprov-jdk15on-1.70.jar

 ,其次,Java标准库的java.security包提供了一种标准机制,允许第三方提供给上无缝接入。我们要使用BouncyCastle注册一下,实现代码如下:

  1. package com.apesource.demo02;
  2. import java.math.BigInteger;
  3. import java.security.MessageDigest;
  4. import java.security.NoSuchAlgorithmException;
  5. import java.security.Security;
  6. import java.util.Arrays;
  7. import javax.crypto.SecretKey;
  8. import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
  9. //第三方开源库提供的RipeMD160消息摘要算法实现
  10. public class Demo08 {
  11. public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
  12. //注册BouncyCastleProvider通知类
  13. //将提供的消息摘要算法注册至Security
  14. Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
  15. //获取RipeMD160算法的"消息摘要对象"(加密对象)
  16. MessageDigest ripeMd160 = MessageDigest.getInstance("RipeMD160");
  17. //更新原始数据
  18. ripeMd160.update("wbjxxmy".getBytes());
  19. //获取消息摘要(加密)
  20. byte[] result = ripeMd160.digest();
  21. //消息摘要的字节长度和内容
  22. System.out.println("加密结果(字节长度)"+result.length); //160位 = 20字节
  23. System.out.println("加密结果(字节内容)"+Arrays.toString(result));
  24. //十六进制字符串
  25. String hex = new BigInteger(1,result).toString(16);
  26. System.out.println("加密结果(字符串长度)"+hex.length()); //20字节=40个字符
  27. System.out.println("加密结果(字符串内容)"+hex);
  28. }
  29. }

小结

  • 哈希算法可用于验证数据完整性,具有防篡改检测的功能
  • 常用的哈希算法有 MD5、SHA-1 等
  • 用哈希存储口令时要考虑彩虹表攻击
  • Hmac 算法是一种标准的基于密钥的哈希算法,可以配合 MD5 、 SHA-1 等哈希算法,计算的摘要长度和原摘要算法长度相同
  • BouncyCastle 是一个开源的第三方算法提供商
  • BouncyCastle 提供了很多 Java 标准库没有提供的哈希算法和加密算法
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