对称加密、非对称加密与MD5原理详解

一、对称加密原理

1. 核心特点

• 单一密钥：加密解密使用相同密钥

• 高效快速：适合大数据量加密

• 密钥分发：主要安全挑战

2. 典型算法：AES（高级加密标准）

加密过程：

1. 密钥扩展：将初始密钥扩展为多轮密钥

2. 初始轮：AddRoundKey（密钥加）

3. 主轮循环（10/12/14轮）：

   • SubBytes（字节替换）

   • ShiftRows（行移位）

   • MixColumns（列混淆）

   • AddRoundKey

4. 最终轮：省略MixColumns

示例代码：

Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] iv = cipher.getIV(); // 初始化向量
byte[] ciphertext = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());

二、非对称加密原理

1. 核心特点

• 密钥对：公钥加密，私钥解密

• 数学难题：基于大数分解（RSA）或离散对数（ECC）

• 速度较慢：适合小数据量加密

2. 典型算法：RSA

密钥生成：

1. 选择两个大素数p和q（1024位以上）

2. 计算n = p * q

3. 计算φ(n) = (p-1)(q-1)

4. 选择e（通常65537），满足1 < e < φ(n)且gcd(e, φ(n)) = 1

5. 计算d ≡ e⁻¹ mod φ(n)

加密公式：

• 加密：c ≡ mᵉ mod n

• 解密：m ≡ cᵈ mod n

示例代码：

KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
kpg.initialize(2048);
KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();

Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, kp.getPublic());
byte[] ciphertext = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());

三、MD5原理（消息摘要算法）

1. 核心特点

• 哈希函数：将任意长度输入→固定长度输出（128位）

• 不可逆：无法从哈希值恢复原文

• 抗碰撞性：已不满足安全要求（已被破解）

2. 算法流程

1. 填充消息：

   • 添加比特"1"

   • 填充0直到长度≡448 mod 512

   • 追加64位原始消息长度

2. 初始化变量：

   A = 0x67452301
   B = 0xEFCDAB89
   C = 0x98BADCFE
   D = 0x10325476

3. 主循环处理（512位分组）：

   • 每轮16步，共4轮（64步）

   • 使用非线性函数（F,G,H,I）

   • 每步包含：

     • 模加

     • 循环左移

     • 常量加法

4. 输出哈希值：A,B,C,D的级联

3. 安全缺陷

• 碰撞攻击：可在2¹⁸次操作内找到碰撞

• 实际案例：

  • 不同证书生成相同MD5

  • 构造恶意文件与正常文件同哈希

4. 替代方案

• 安全哈希：SHA-256, SHA-3

• 密码学哈希：BLAKE3, Argon2（带盐）

四、对比总结

特性	对称加密	非对称加密	MD5（哈希）
密钥机制	单密钥	密钥对	无密钥
速度	快（MB/s级）	慢（KB/s级）	快（GB/s级）
安全性基础	混淆扩散	数学难题	哈希非线性
主要用途	数据加密	密钥交换/签名	完整性校验
量子安全	AES-256安全	传统算法不安全	已不安全

五、Java实现示例

1. 对称加密（AES）

// AES-GCM加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
GCMParameterSpec ivSpec = new GCMParameterSpec(128, iv); // 12字节IV
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, ivSpec);
byte[] ciphertext = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());

2. 非对称加密（RSA）

// RSA-OAEP加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding");
OAEPParameterSpec oaepParams = new OAEPParameterSpec(
    "SHA-256", "MGF1", MGF1ParameterSpec.SHA256, PSource.PSpecified.DEFAULT);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey, oaepParams);

3. 哈希计算（SHA-256替代MD5）

MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
byte[] hash = digest.digest(message.getBytes());

六、安全建议

1. 对称加密：

   • 使用AES-256-GCM

   • 确保IV唯一性（GCM推荐12字节随机数）

   • 定期轮换密钥

2. 非对称加密：

   • RSA至少2048位（3072位更安全）

   • 优先选择ECC（如P-256曲线）

   • 使用OAEP填充而非PKCS#1 v1.5

3. 哈希算法：

   • 禁用MD5/SHA-1

   • 敏感场景加盐（salt）

   • 考虑使用HMAC进行密钥哈希

理解这些加密原理和哈希机制是构建安全系统的基石，开发者应根据具体场景选择适当算法并正确实现。