密码学(二)：Byte和常见加密方式

目录

频度分析法破解恺撒加密

Byte和bit

 获取字符串byte

byte对应bit

中文对应的字节

 英文对应的字节

常见加密方式

对称加密

 DES加密

DES解密

base64补等号测试

AES加密解密

toString()与new String ()用法区别

频度分析法破解恺撒加密

密码棒

公元前5世纪的时候，斯巴达人利用一根木棒，缠绕上皮革或者羊皮纸，在上面横向写下信息，解下这条皮带。展开来看，这长串字母没有任何意义。

比如这样：

信差可以将这条皮带当成腰带，系在腰上。

比如这样：

然后收件人将这条皮带缠绕在相同的木棒上，就能恢复信息了。

前404年，一位遍体鳞伤的信差来到斯巴达将领利桑德面前，这趟波斯之旅只有他和四位同伴幸存，利桑德接下腰带，缠绕到他的密码棒上，得知波斯的发那巴祖斯准备侵袭他，多亏密码棒利桑德才能够预先防范，击退敌军。

频率分析解密法

密码棒是不是太简单了些？

加密者选择将组成信息的字母替代成别的字母，比如说将a写成1，这样就不能被解密者直接拿到信息了。

这难不倒解密者，以英文字母为例，为了确定每个英文字母的出现频率，分析一篇或者数篇普通的英文文章，英文字母出现频率最高的是e，接下来是t，然后是a……，然后检查要破解的密文，也将每个字母出现的频率整理出来，假设密文中出现频率最高的字母是j，那么就可能是e的替身，如果密码文中出现频率次高的但是P，那么可能是t的替身，以此类推便就能解开加密信息的内容。这就是频率分析法。

• 将明文字母的出现频率与密文字母的频率相比较的过程
• 通过分析每个符号出现的频率而轻易地破译代换式密码
• 在每种语言中，冗长的文章中的字母表现出一种可对之进行分辨的频率。
• e是英语中最常用的字母，其出现频率为八分之一

拷贝资料里面的 Util.java 和 FrequencyAnalysis.java 到项目的 com.atguigu.kaiser包下面 , article.txt 拷贝到项目文件夹的根目录

运行 FrequencyAnalysis.java 用来统计每个字符出现的次数

运行 FrequencyAnalysis.java 里面 main 函数里面的 encryptFile 方法 对程序进行加密

public static void main(String[] args) throws Exception {//测试1，统计字符个数//printCharCount("article.txt");//加密文件int key = 3;encryptFile("article.txt", "article_en.txt", key);//读取加密后的文件// String artile = Util.file2String("article_en.txt");//解密（会生成多个备选文件）// decryptCaesarCode(artile, "article_de.txt");}

在根目录会生成一个 article_en.txt 文件，然后我们统计这个文件当中每个字符出现的次数

public static void main(String[] args) throws Exception {//测试1，统计字符个数printCharCount("article_en.txt");//加密文件int key = 3;//encryptFile("article.txt", "article_en.txt", key);//读取加密后的文件// String artile = Util.file2String("article_en.txt");//解密（会生成多个备选文件）// decryptCaesarCode(artile, "article_de.txt");}

运行程序

我们来看看 频度分析法如何工作的

public static void main(String[] args) throws Exception {//测试1，统计字符个数//printCharCount("article_en.txt");//加密文件int key = 3;//encryptFile("article.txt", "article_en.txt", key);//读取加密后的文件String artile = Util.file2String("article_en.txt");//解密（会生成多个备选文件）decryptCaesarCode(artile, "article_de.txt");}

运行程序

运行结果 # 出现次数最多， 我们知道在英文当中 e 出现的频率是最高的，我们假设现在 # 号，就是 e ，变形而来的 ，我们可以对照 ascii 编码表 ，我们的凯撒加密当中位移是加了一个 key ，所以我们 猜测 两个值直接相差 -66 ，我们现在就以 -66 进行解密 生成一个文件，我们查看第一个文件发现，根本读不懂，所以解密失败，我们在猜测 h 是 e ，h 和 e 之间相差3 ，所以我们在去看第二个解密文件，发现我们可以读懂，解密成功

Byte和bit

Byte : 字节. 数据存储的基本单位，比如移动硬盘1T ， 单位是byte

bit : 比特, 又叫位. 一个位要么是0要么是1. 数据传输的单位 , 比如家里的宽带100MB，下载速度并没有达到100MB，一般都是12-13MB，那么是因为需要使用 100 / 8

关系: 1Byte = 8bit

 获取字符串byte

public class ByteBit {public static void main(String[] args) {String a = "a";byte[] bytes = a.getBytes();for (byte b : bytes) {int c=b;// 打印发现byte实际上就是ascii码System.out.println(c);}}
}

运行程序

byte对应bit

public class ByteBit {public static void main(String[] args) {String a = "a";byte[] bytes = a.getBytes();for (byte b : bytes) {int c=b;// 打印发现byte实际上就是ascii码System.out.println(c);// 我们在来看看每个byte对应的bit，byte获取对应的bitString s = Integer.toBinaryString(c);System.out.println(s);}}
}

运行程序

打印出来应该是8个bit，但前面是0，没有打印 ，从打印结果可以看出来，一个英文字符 ，占一个字节

中文对应的字节

public class ByteBitDemo {public static void main(String[] args) throws Exception{String a = "尚";byte[] bytes = a.getBytes();for (byte b : bytes) {System.out.print(b + "   ");String s = Integer.toBinaryString(b);System.out.println(s);}}}

运行程序：我们发现一个中文是有 3 个字节组成

我们修改 编码格式 , 编码格式改成 GBK ，我们在运行发现变成了 2 个字节

public static void main(String[] args) throws Exception{String a = "尚";// 在中文情况下，不同的编码格式，对应不同的字节//GBK :编码格式占2个字节// UTF-8：编码格式占3个字节byte[] bytes = a.getBytes("GBK");// byte[] bytes = a.getBytes("UTF-8");for (byte b : bytes) {System.out.print(b + "   ");String s = Integer.toBinaryString(b);System.out.println(s);}}

运行程序

 英文对应的字节

我们在看看英文，在不同的编码格式占用多少字节

public class ByteBit {public static void main(String[] args) throws Exception{String a = "A";byte[] bytes = a.getBytes();// 在中文情况下，不同的编码格式，对应不同的字节
//        byte[] bytes = a.getBytes("GBK");for (byte b : bytes) {System.out.print(b + "   ");String s = Integer.toBinaryString(b);System.out.println(s);}}
}

运行程序

常见加密方式

对称加密

• 采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密，这种加密方法称为对称加密，也称为单密钥加密。
• 示例
  • 我们现在有一个原文3要发送给B
  • 设置密钥为108, 3 * 108 = 324, 将324作为密文发送给B
  • B拿到密文324后, 使用324/108 = 3 得到原文
• 常见加密算法
  • DES : Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法，1977年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准（FIPS），并授权在非密级政府通信中使用，随后该算法在国际上广泛流传开来。
  • AES : Advanced Encryption Standard, 高级加密标准 .在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。
• 特点
  • 加密速度快, 可以加密大文件
  • 密文可逆, 一旦密钥文件泄漏, 就会导致数据暴露
  • 加密后编码表找不到对应字符, 出现乱码
  • 一般结合Base64使用

 DES加密

示例代码 des加密算法

Cipher ：文档 https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/javax/crypto/Cipher.html#getInstance-java.lang.String-

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;public class DesAesDemo {public static void main(String[] args) throws Exception{// 原文String input = "硅谷";// des加密必须是8位String key = "123456";// 算法String algorithm = "DES";String transformation = "DES";// Cipher：密码，获取加密对象// transformation:参数表示使用什么类型加密Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);// 指定秘钥规则// 第一个参数表示：密钥，key的字节数组// 第二个参数表示：算法SecretKeySpec sks = new SecretKeySpec(key.getBytes(), algorithm);// 对加密进行初始化// 第一个参数：表示模式，有加密模式和解密模式// 第二个参数：表示秘钥规则cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,sks);// 进行加密byte[] bytes = cipher.doFinal(input.getBytes());// 打印字节，因为ascii码有负数，解析不出来，所以乱码
//        for (byte b : bytes) {
//            System.out.println(b);
//        }// 打印密文System.out.println(new String(bytes));}
}

运行：

修改 密钥 key = “12345678” ，再次运行 ，出现乱码是因为对应的字节出现负数，但负数，没有出现在 ascii 码表里面，所以出现乱码，需要配合base64进行转码

使用 base64 进行编码

base64 导包的时候，需要注意 ，别导错了，需要导入 apache 包

运行程序

DES解密

使用 ctrl + alt + m 快捷键抽取代码

import com.sun.org.apache.xml.internal.security.utils.Base64;import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;public class DesDemo {// DES加密算法,key的大小必须是8个字节public static void main(String[] args) throws Exception {String input ="硅谷";// DES加密算法，key的大小必须是8个字节String key = "12345678";String transformation = "DES"; // 9PQXVUIhaaQ=// 指定获取密钥的算法String algorithm = "DES";String encryptDES = encryptDES(input, key, transformation, algorithm);System.out.println("加密:" + encryptDES);String s = decryptDES(encryptDES, key, transformation, algorithm);System.out.println("解密:" + s);}/*** 使用DES加密数据** @param input          : 原文* @param key            : 密钥(DES,密钥的长度必须是8个字节)* @param transformation : 获取Cipher对象的算法* @param algorithm      : 获取密钥的算法* @return : 密文* @throws Exception*/private static String encryptDES(String input, String key, String transformation, String algorithm) throws Exception {// 获取加密对象Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);// 创建加密规则// 第一个参数key的字节// 第二个参数表示加密算法SecretKeySpec sks = new SecretKeySpec(key.getBytes(), algorithm);// ENCRYPT_MODE：加密模式// DECRYPT_MODE: 解密模式// 初始化加密模式和算法cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,sks);// 加密byte[] bytes = cipher.doFinal(input.getBytes());// 输出加密后的数据String encode = Base64.encode(bytes);return encode;}/*** 使用DES解密** @param input          : 密文* @param key            : 密钥* @param transformation : 获取Cipher对象的算法* @param algorithm      : 获取密钥的算法* @throws Exception* @return: 原文*/private static String decryptDES(String input, String key, String transformation, String algorithm) throws Exception {// 1,获取Cipher对象Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);// 指定密钥规则SecretKeySpec sks = new SecretKeySpec(key.getBytes(), algorithm);cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, sks);// 3. 解密，上面使用的base64编码，下面直接用密文byte[] bytes = cipher.doFinal(Base64.decode(input));//  因为是明文，所以直接返回return new String(bytes);}
}

运行程序：

Base64 算法简介

Base64是网络上最常见的用于传输8Bit字节码的可读性编码算法之一
可读性编码算法不是为了保护数据的安全性，而是为了可读性
可读性编码不改变信息内容，只改变信息内容的表现形式
所谓Base64，即是说在编码过程中使用了64种字符：大写A到Z、小写a到z、数字0到9、“+”和“/”
Base58是Bitcoin(比特币)中使用的一种编码方式，主要用于产生Bitcoin的钱包地址
相比Base64，Base58不使用数字"0"，字母大写"O"，字母大写"I"，和字母小写"i"，以及"+"和"/"符号

Base64 算法原理

base64 是 3个字节为一组，一个字节 8位，一共 就是24位 ，然后，把3个字节转成4组，每组6位，

3 * 8 = 4 * 6 = 24 ，每组6位，缺少的2位，会在高位进行补0 ，这样做的好处在于 ，base取的是后面6位，去掉高2位 ，那么base64的取值就可以控制在0-63位了，所以就叫base64，111 111 = 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1 =

base64 构成原则

① 小写 a - z = 26个字母

② 大写 A - Z = 26个字母

③ 数字 0 - 9 = 10 个数字

④ + / = 2个符号

大家可能发现一个问题，咱们的base64有个 = 号，但是在映射表里面没有发现 = 号 ， 这个地方需要注意，等号非常特殊，因为base64是三个字节一组 ，如果当我们的位数不够的时候，会使用等号来补齐

base64补等号测试

import com.sun.org.apache.xml.internal.security.utils.Base64;public class TestBase64 {public static void main(String[] args) {//  1：MQ== 表示一个字节，不够三个字节，所以需要后面通过 == 号补齐System.out.println(Base64.encode("1".getBytes()));
//        System.out.println(Base64.encode("12".getBytes()));
//        System.out.println(Base64.encode("123".getBytes()));
//        // 硅谷:中文占6个字节，6 * 8 = 48 ，刚刚好被整除，所以没有等号
//        System.out.println(Base64.encode("硅谷".getBytes()));}
}

运行：

AES加密解密

AES 加密解密和 DES 加密解密代码一样，只需要修改加密算法就行，拷贝 ESC 代码

public class AesDemo {// DES加密算法,key的大小必须是8个字节public static void main(String[] args) throws Exception {String input ="硅谷";// AES加密算法，比较高级，所以key的大小必须是16个字节String key = "1234567812345678";String transformation = "AES"; // 9PQXVUIhaaQ=// 指定获取密钥的算法String algorithm = "AES";// 先测试加密，然后在测试解密String encryptDES = encryptDES(input, key, transformation, algorithm);System.out.println("加密:" + encryptDES);String s = dncryptDES(encryptDES, key, transformation, algorithm);System.out.println("解密:" + s);}/*** 使用DES加密数据** @param input          : 原文* @param key            : 密钥(DES,密钥的长度必须是8个字节)* @param transformation : 获取Cipher对象的算法* @param algorithm      : 获取密钥的算法* @return : 密文* @throws Exception*/private static String encryptDES(String input, String key, String transformation, String algorithm) throws Exception {// 获取加密对象Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);// 创建加密规则// 第一个参数key的字节// 第二个参数表示加密算法SecretKeySpec sks = new SecretKeySpec(key.getBytes(), algorithm);// ENCRYPT_MODE：加密模式// DECRYPT_MODE: 解密模式// 初始化加密模式和算法cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,sks);// 加密byte[] bytes = cipher.doFinal(input.getBytes());// 输出加密后的数据String encode = Base64.encode(bytes);return encode;}/*** 使用DES解密** @param input          : 密文* @param key            : 密钥* @param transformation : 获取Cipher对象的算法* @param algorithm      : 获取密钥的算法* @throws Exception* @return: 原文*/private static String dncryptDES(String input, String key, String transformation, String algorithm) throws Exception {// 1,获取Cipher对象Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);// 指定密钥规则SecretKeySpec sks = new SecretKeySpec(key.getBytes(), algorithm);cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, sks);// 3. 解密byte[] bytes = cipher.doFinal(Base64.decode(input));return new String(bytes);}
}

运行程序：AES 加密的密钥key ， 需要传入16个字节

在运行程序

toString()与new String ()用法区别

举例子

import com.sun.org.apache.xerces.internal.impl.dv.util.Base64;public class TestBase64 {public static void main(String[] args) {String str="TU0jV0xBTiNVYys5bEdiUjZlNU45aHJ0bTdDQStBPT0jNjQ2NDY1Njk4IzM5OTkwMDAwMzAwMA==";String rlt1=new String(Base64.decode(str));String rlt2=Base64.decode(str).toString();System.out.println(rlt1);System.out.println(rlt2);}
}

结果是：

MM#WLAN#Uc+9lGbR6e5N9hrtm7CA+A==#646465698#399900003000[B@1540e19d

哪一个是正确的？为什么？

这里应该用new String()的方法，因为Base64加解密是一种转换编码格式的原理

toString()与new String ()用法区别

str.toString是调用了这个object对象的类的toString方法。一般是返回这么一个String：[class name]@[hashCode]

new String(str)是根据parameter是一个字节数组，使用java虚拟机默认的编码格式，将这个字节数组decode为对应的字符。若虚拟机默认的编码格式是ISO-8859-1，按照ascii编码表即可得到字节对应的字符。

什么时候用什么方法呢？

new String（）一般使用字符转码的时候,byte[]数组的时候

toString（）对象打印的时候使用

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