java SHA加密/解密（附带源码）

目录

1. 项目背景与动机

2. 哈希算法概述

   1. 哈希函数基本特性

   2. SHA 系列演进

3. SHA 算法数学原理

   1. 压缩函数与分组迭代

   2. 初始向量与常量表

   3. 消息填充与附加长度

4. Java 环境与依赖

   1. JDK 版本与安全策略

   2. Maven/Gradle 配置

5. 项目结构与模块设计

   1. 包结构

   2. 模块职责

6. 核心代码实现（SHA-1/SHA-256/SHA-512）

   1. 通用哈希工具类

   2. 各种 SHA 算法实现方法

   3. 带盐哈希与多次迭代

   4. HMAC-SHA 实现

7. 代码整合示例（详注版）

8. 方法解读

   1. hash(byte[])

   2. hashHex(String)

   3. hashWithSalt(String, byte[])

   4. verify(String, String)

9. 进阶话题

   1. 摘要长度与安全性

   2. 碰撞攻击与防范

   3. 密钥派生函数（PBKDF2）

   4. 高性能实现与并行化

10. 性能优化与安全实践

    1. 缓存与复用 MessageDigest 实例

    2. 防止时序攻击

    3. 安全随机数源

    4. 密码存储最佳实践

11. 项目实战：Web 登录系统中的 SHA 应用

    1. Spring Boot 集成

    2. 前端密码散列示例

12. CI/CD 与自动化测试

    1. 单元测试覆盖

    2. 集成测试

    3. 安全扫描

13. 项目总结与展望

14. 参考资料与延伸阅读

1. 项目背景与动机

在信息安全领域，数据完整性和身份验证是核心需求之一。与非对称加密不同，哈希算法是一种单向函数，无法从输出反推输入，广泛用于密码存储、消息摘要、数字签名前置处理、数据完整性校验等场景。本项目旨在使用 Java 原生 API（JCA/JCE）及少量手写逻辑，全方位实现 SHA 系列哈希（SHA-1、SHA-256、SHA-512）以及基于 HMAC 的消息认证，提供高可用、易扩展、可测试的工具类，帮助读者：

• 深入理解 SHA 家族算法原理及实现细节

• 掌握 Java 中 MessageDigest 的使用与优化

• 学会带盐（Salted）哈希、多次迭代和 HMAC 的正确姿势

• 在 Web 系统中安全地存储与校验密码

• 了解密码学攻击手段及防范最佳实践

2. 哈希算法概述

2.1 哈希函数基本特性

1. 单向性：给定消息 M，易于计算 H(M)；但仅凭 H(M)，无法高效恢复 M。

2. 抗碰撞：难以找到 M1≠M2 且 H(M1)=H(M2)。

3. 抗篡改：对消息进行微小修改，哈希值发生巨大变化（雪崩效应）。

4. 效率：对任意长度输入都能快速计算。

2.2 SHA 系列演进

• SHA-0：1978 年发布，存在安全缺陷，迅速废弃。

• SHA-1：1995 年发布，输出 160 位摘要；2005 年起被认为不安全，陆续弃用。

• SHA-2 家族（2001 年）：包括 SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512；目前主流。

• SHA-3（Keccak，2015 年）：NIST 全面标准，抗碰撞更强。

本项目聚焦 SHA-1、SHA-256、SHA-512，并扩展 HMAC-SHA256 用于消息认证。

3. SHA 算法数学原理

3.1 压缩函数与分组迭代

SHA 基于 Merkle–Damgård 结构，将任意长度消息分为固定大小的分组（512 位或 1024 位），通过压缩函数迭代处理，并将上一分组的输出作为下一分组的输入状态（中间哈希值）。

3.2 初始向量与常量表

• 每种 SHA 算法有一组固定的初始哈希值（IV），如 SHA-256 的 8 个 32 位常量。

• 压缩函数中使用一系列常量 K，用于每轮迭代的消息扩展与混合。

3.3 消息填充与附加长度

• 首先在消息后附加一位“1”位，再用“0”填充，直到消息长度 ≡ (block_size − 64) mod block_size。

• 最后附加一个 64 位（或 128 位）的大端整数，表示原消息长度（位为单位）。

整个填充保证消息长度可被分组大小整除。

4. Java 环境与依赖

4.1 JDK 版本与安全策略

• 建议：JDK 11 及以上，内置最新 JCA/JCE，性能更好。

• 对超长摘要（如 SHA-512）无需额外策略包支持。

4.2 Maven/Gradle 配置

   org.slf4j slf4j-api 1.7.36   ch.qos.logback logback-classic 1.2.11    org.junit.jupiter junit-jupiter 5.9.0 test 

dependencies { implementation \'org.slf4j:slf4j-api:1.7.36\' implementation \'ch.qos.logback:logback-classic:1.2.11\' testImplementation \'org.junit.jupiter:junit-jupiter:5.9.0\'}

5. 项目结构与模块设计

src/main/java └─ com.example.sha ├─ util │ └─ SHAUtil.java # 核心哈希工具类 ├─ demo │ └─ App.java # 演示入口 └─ security └─ HMACUtil.java # HMAC 实现工具src/test/java └─ com.example.sha ├─ SHAUtilTest.java # 单元测试 └─ HMACUtilTest.java # HMAC 测试

• SHAUtil：封装 SHA-1、SHA-256、SHA-512、带盐、多次迭代等方法。

• HMACUtil：基于 Mac 类实现 HMAC-SHA256。

• App：演示从命令行读取输入，输出哈希结果。

• 测试类：覆盖各种输入、盐、迭代次数及异常场景。

6. 核心代码实现（SHA-1/256/512）

package com.example.sha.util;import javax.xml.bind.DatatypeConverter;import java.nio.charset.StandardCharsets;import java.security.MessageDigest;import java.security.NoSuchAlgorithmException;import java.security.SecureRandom;/** * SHAUtil：提供 SHA-1、SHA-256、SHA-512 哈希计算， * 支持带盐和多次迭代，以及十六进制输出。 */public class SHAUtil { // 默认迭代次数 private static final int DEFAULT_ITERATIONS = 1; /** * 计算纯 SHA-256 哈希，返回十六进制字符串 */ public static String sha256Hex(String input) { return hashHex(input.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), \"SHA-256\", null, 1); } /** * 计算带 salt 的 SHA-256 哈希，返回十六进制字符串 */ public static String sha256Hex(String input, byte[] salt, int iterations) { return hashHex(input.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), \"SHA-256\", salt, iterations); } /** * 通用哈希方法 * * @param data 要哈希的字节数组 * @param algorithm 算法名称，如 SHA-1、SHA-256、SHA-512 * @param salt 可选 salt，null 则无盐 * @param iterations 迭代次数，至少 1 * @return 哈希后十六进制字符串 */ public static String hashHex(byte[] data, String algorithm, byte[] salt, int iterations) { try { MessageDigest md = MessageDigest.getInstance(algorithm); if (salt != null) { md.update(salt); } byte[] result = md.digest(data); for (int i = 1; i < iterations; i++) { md.reset(); result = md.digest(result); } return DatatypeConverter.printHexBinary(result).toLowerCase(); } catch (NoSuchAlgorithmException e) { throw new RuntimeException(\"不支持的哈希算法: \" + algorithm, e); } } /** * 生成随机 salt，默认长度 16 字节 */ public static byte[] generateSalt(int length) { SecureRandom sr = new SecureRandom(); byte[] salt = new byte[length]; sr.nextBytes(salt); return salt; }}

7. 代码整合示例

package com.example.sha.demo;import com.example.sha.util.SHAUtil;import java.util.Scanner;/** * App：命令行演示 SHA 哈希功能 */public class App { public static void main(String[] args) { Scanner scanner = new Scanner(System.in, \"UTF-8\"); System.out.println(\"请输入要计算哈希的字符串：\"); String input = scanner.nextLine(); // 纯 SHA-256 String sha256 = SHAUtil.sha256Hex(input); System.out.println(\"SHA-256: \" + sha256); // 带盐 SHA-256，迭代 2 次 byte[] salt = SHAUtil.generateSalt(16); String salted = SHAUtil.sha256Hex(input, salt, 2); System.out.println(\"带盐+迭代 SHA-256: \" + salted); System.out.println(\"Salt (Hex): \" + bytesToHex(salt)); scanner.close(); } private static String bytesToHex(byte[] bytes) { StringBuilder sb = new StringBuilder(bytes.length * 2); for (byte b : bytes) { sb.append(String.format(\"%02x\", b)); } return sb.toString(); }}

注释解读

• 使用 Scanner 读取用户输入，支持 UTF-8。

• 调用 SHAUtil 提供的纯哈希和带盐多次迭代哈希两种方式。

• bytesToHex 辅助方法将 salt 转为可阅读的十六进制字符串。

8. 方法解读

8.1 hashHex(byte[] data, String algorithm, byte[] salt, int iterations)

• 通过 MessageDigest.getInstance(algorithm) 获取实例

• 如有 salt，先 update(salt)，再对数据 digest(data)

• 迭代多次：对上次输出再次 digest

• 最终使用 DatatypeConverter.printHexBinary 转为十六进制

8.2 sha256Hex(String)

• 直接调用通用方法，算法固定为 \"SHA-256\"，无盐，1 次迭代

8.3 sha256Hex(String, byte[] salt, int iterations)

• 支持自定义 salt 和迭代次数，可用于密码存储强化

8.4 generateSalt(int length)

• 使用 SecureRandom 生成高质量随机数，保证 salt 不能预测

9. 进阶话题

9.1 摘要长度与安全性

• SHA-1（160 位）已被碰撞攻击击破

• SHA-256（256 位）目前认为安全

• SHA-512（512 位）更强但性能稍低

9.2 碰撞攻击与防范

• 预映像攻击：给定 H，难以找到 M 使 H(M)=H

• 碰撞攻击：找任意 M1,M2 使 H(M1)=H(M2)

• 防范：选用 SHA-2 或 SHA-3 家族，不使用已弃用 SHA-1

9.3 密钥派生函数（PBKDF2）

• 基于 HMAC-SHA256 的迭代派生，可用 SecretKeyFactory 实现

• 用于密码存储，比简单迭代更安全

9.4 高性能实现与并行化

• 对大数据可分块并行调用 MessageDigest 多实例

• 使用 Java 9+ 的 MessageDigest.digest(ByteBuffer) 零拷贝

10. 性能优化与安全实践

10.1 缓存与复用 MessageDigest 实例

• MessageDigest 线程不安全，建议使用 ThreadLocal 缓存

10.2 防止时序攻击

• 对比哈希结果时使用常量时间比对，避免泄露长度或内容差异

• 示例：

public static boolean constantTimeEquals(byte[] a, byte[] b) { if (a.length != b.length) return false; int result = 0; for (int i = 0; i < a.length; i++) { result |= a[i] ^ b[i]; } return result == 0;}

10.3 安全随机数源

• 强制使用 SecureRandom.getInstanceStrong()，在高安全需求下确保熵的质量

10.4 密码存储最佳实践

• 使用带盐、多次迭代或 PBKDF2/HMAC/KDF 存储密码

• 永不保存明文密码

11. 项目实战：Web 登录系统中的 SHA 应用

11.1 Spring Boot 集成

1. 配置：在 application.properties 中存储盐长度和迭代次数

2. 服务层：注册用户时生成 salt 并存储 hash(salt+password)；登录时取出 salt 重新哈希比对

3. Controller：接收 JSON，调用服务层完成注册/登录

示例注册流程片段：

byte[] salt = SHAUtil.generateSalt(16);String passwordHash = SHAUtil.sha256Hex(rawPassword, salt, 10000);user.setSalt(bytesToHex(salt));user.setPasswordHash(passwordHash);userRepository.save(user);

11.2 前端密码散列示例

• 可在前端使用 Web Crypto API 进行 SHA-256 初步哈希，减轻服务器压力

• 仍需后端带盐迭代以确保安全

12. CI/CD 与自动化测试

12.1 单元测试覆盖

• 测试空字符串、普通字符串、带 Unicode 字符串哈希结果

• 测试带盐、不带盐、不同迭代次数的输出长度与稳定性

12.2 集成测试

• Spring Boot @WebMvcTest 模拟注册登录接口，确保哈希、存储、比对流程正确

12.3 安全扫描

• 使用 OWASP Dependency-Check 插件扫描依赖

• 定期使用 Snyk 运行安全审计

13. 项目总结与展望

本文从理论到实践，完整讲解了 Java 版 SHA 哈希（含带盐、多次迭代、HMAC）项目的设计与实现。通过本项目，你将能够：

• 深刻理解 SHA 系列算法原理

• 熟练使用 Java MessageDigest、Mac 等 API

• 掌握密码存储与验证的安全最佳实践

• 在 Web 应用中安全集成哈希流程

未来可继续拓展：

• 引入 PBKDF2、bcrypt、scrypt 等专业 KDF 算法

• 对接硬件安全模块（HSM）增强安全

• 实现 SHA-3 与其它哈希函数对比研究

14. 参考资料与延伸阅读

• Java 官方文档：Java Cryptography Architecture (JCA)

• NIST FIPS PUB 180-4: Secure Hash Standard

• OWASP 密码存储指南

• 《Applied Cryptography》 by Bruce Schneier

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