Go基础加密算法和数据结构
Posted Ricky_0528
tags:
篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Go基础加密算法和数据结构相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
文章目录
一、加密算法
1. 对称加密
加密过程的每一步都是可逆的
加密和解密用的是同一组密钥
异或是最简单的对称加密算法
// XOR 异或运算,要求plain和key的长度相同
func XOR(plain string, key []byte) string
bPlain := []byte(plain)
bCipher := make([]byte, len(key))
for i, k := range key
bCipher[i] = k ^ bPlain[i]
cipher := string(bCipher)
return cipher
DES(Data Encryption Standard)数据加密标准,是目前最为流行的加密算法之一
对原始数据(明文)进行分组,每组64位,最后一组不足64位时按一定规则填充,每一组上单独施加DES算法
DES子密钥生成
初始密钥64位,实际有效位56位,每隔7位有一个校验位,根据初始密钥生成16个48位的子密钥
N取值从1到16,N和x有固定的映射表
DES加密过程
L1, R1 = f(L0, R0, K1),依此循环,得到L16和R16
S盒替换,输入48位,输出32位,各分为8组,输入每组6位,输出每组4位,分别在每组上施加S盒替换,一共8个S盒
CBC加密过程
分组模式,CBC(Cipher Block Chaining )密文分组链接模式,将当前明文分组与前一个密文分组进行异或运算,然后再进行加密
其他分组模式还有ECB, CTR, CFR, OFB
func DesEncryptCBC(text string, key []byte) (string, error)
src := []byte(text)
block, err := des.NewCipher(key) // 用des创建一个加密器cipher
if err != nil
return "", err
blockSize := block.BlockSize() // 分组的大小,blockSize=8
src = common.ZeroPadding(src, blockSize) // 填充
out := make([]byte, len(src)) // 密文和明文的长度一致
encrypter := cipher.NewCBCEncrypter(block, key) // CBC分组模式加密
encrypter.CryptBlocks(out, src)
return hex.EncodeToString(out), nil
func DesDecryptCBC(text string, key []byte) (string, error)
src, err := hex.DecodeString(text) // 转成[]byte
if err != nil
return "", err
block, err := des.NewCipher(key)
if err != nil
return "", err
out := make([]byte, len(src)) // 密文和明文的长度一致
encrypter := cipher.NewCBCDecrypter(block, key) // CBC分组模式解密
encrypter.CryptBlocks(out, src)
out = common.ZeroUnPadding(out) // 反填充
return string(out), nil
AES(Advanced Encryption Standard)高级加密标准,旨在取代DES
2. 非对称加密
- 使用公钥加密,使用私钥解密
- 公钥和私钥不同
- 公钥可以公布给所有人
- 私钥只有自己保存
- 相比于对称加密,运算速度非常慢
对称加密和非对称加密结合使用的案例:
小明要给小红传输机密文件,他俩先交换各自的公钥,然后:
- 小明生成一个随机的AES口令,然后用小红的公钥通过RSA加密这个口令,并发给小红
- 小红用自己的RSA私钥解密得到AES口令
- 双方使用这个共享的AES口令用AES加密通信
RSA是三个发明人名字的缩写:Ron Rivest,Adi Shamir,Leonard Adleman,密钥越长,越难破解,目前768位的密钥还无法破解(至少没人公开宣布),因此可以认为1024位的RSA密钥基本安全,2048位的密钥极其安全,RSA的算法原理主要用到了数论
RSA加密过程:
- 随机选择两个不相等的质数p和q:p=61, q=53
- 计算p和q的乘积n:n=3233
- 计算n的欧拉函数φ(n) = (p-1)(q-1): φ(n) =3120
- 随机选择一个整数e,使得1< e < φ(n),且e与φ(n) 互质:e=17
- 计算e对于φ(n)的模反元素d,即求解e*d+ φ(n)*y=1:d=2753, y=-15
- 将n和e封装成公钥,n和d封装成私钥:公钥=(3233,17),公钥=(3233,2753)
// RSA加密
func RsaEncrypt(origData []byte) ([]byte, error)
// 解密pem格式的公钥
block, _ := pem.Decode(publicKey)
if block == nil
return nil, errors.New("public key error")
// 解析公钥
pubInterface, err := x509.ParsePKIXPublicKey(block.Bytes) // 目前的数字证书一般都是基于ITU(国际电信联盟)制定的X.509标准
if err != nil
return nil, err
// 类型断言
pub := pubInterface.(*rsa.PublicKey)
// 加密
return rsa.EncryptPKCS1v15(rand.Reader, pub, origData)
// RSA解密
func RsaDecrypt(ciphertext []byte) ([]byte, error)
// 解密
block, _ := pem.Decode(privateKey)
if block == nil
return nil, errors.New("private key error!")
// 解析PKCS1格式的私钥
priv, err := x509.ParsePKCS1PrivateKey(block.Bytes)
if err != nil
return nil, err
// 解密
return rsa.DecryptPKCS1v15(rand.Reader, priv, ciphertext)
ECC(Elliptic Curve Cryptography)椭圆曲线加密算法,相比RSA,ECC可以使用更短的密钥,来实现与RSA相当或更高的安全
定义了椭圆曲线上的加法和二倍运算,椭圆曲线依赖的数学难题是:k为正整数,P是椭圆曲线上的点(称为基点), k*P=Q , 已知Q和P,很难计算出k
func genPrivateKey() (*ecies.PrivateKey, error)
pubkeyCurve := elliptic.P256() // 初始化椭圆曲线
// 随机挑选基点,生成私钥
p, err := ecdsa.GenerateKey(pubkeyCurve, rand.Reader) // 用golang标准库生成公私钥对
if err != nil
return nil, err
else
return ecies.ImportECDSA(p), nil // 转换成以太坊的公私钥对
// ECCEncrypt 椭圆曲线加密
func ECCEncrypt(plain string, pubKey *ecies.PublicKey) ([]byte, error)
src := []byte(plain)
return ecies.Encrypt(rand.Reader, pubKey, src, nil, nil)
// ECCDecrypt 椭圆曲线解密
func ECCDecrypt(cipher []byte, prvKey *ecies.PrivateKey) (string, error)
if src, err := prvKey.Decrypt(cipher, nil, nil); err != nil
return "", err
else
return string(src), nil
3. 哈希算法
哈希函数的基本特征:
- 输入可以是任意长度
- 输出是固定长度
- 根据输入很容易计算出输出
- 根据输出很难计算出输入(几乎不可能)
- 两个不同的输入几乎不可能得到相同的输出
SHA(Secure Hash Algorithm) 安全散列算法,是一系列密码散列函数,有多个不同安全等级的版本:SHA-1,SHA-224,SHA-256,SHA-384,SHA-512,其作用是防伪装,防窜扰,保证信息的合法性和完整性
sha-1算法大致过程:
- 填充,使得数据长度对512求余的结果为448
- 在信息摘要后面附加64bit,表示原始信息摘要的长度
- 初始化h0到h4,每个h都是32位
- h0到h4历经80轮复杂的变换
- 把h0到h4拼接起来,构成160位,返回
func Sha1(data string) string
sha1 := sha1.New()
sha1.Write([]byte(data))
return hex.EncodeToString(sha1.Sum(nil))
MD5(Message-Digest Algorithm 5)信息-摘要算法5,算法流程跟SHA-1大体相似,MD5的输出是128位,比SHA-1短了32位,MD5相对易受密码分析的攻击,但运算速度比SHA-1快
func Md5(data string) string
md5 := md5.New()
md5.Write([]byte(data))
return hex.EncodeToString(md5.Sum(nil))
哈希函数的应用场景
- 用户密码的存储
- 文件上传/下载完整性校验
- mysql大字段的快速对比
数字签名
比特币中验证交易记录的真实性用的就是数字签名,先hash再用私钥加密的原因是:非对称加密计算量比较大,先hash可以把原始数据转一条很短的信息,提高计算效率
二、数据结构与算法
1. 链表
链表的一个应用案例,LRU(Least Recently Used,最近最少使用)缓存淘汰的总体思路:缓存的key放到链表中,头部的元素表示最近刚使用
- 如果命中缓存,从链表中找到对应的key,移到链表头部
- 如果没命中缓存:
- 如果缓存容量没超,放入缓存,并把key放到链表头部
- 如果超出缓存容量,删除链表尾部元素,再把key放到链表头部
ring的应用:基于滑动窗口的统计,比如最近100次接口调用的平均耗时、最近10笔订单的平均值、最近30个交易日股票的最高点;ring的容量即为滑动窗口的大小,把待观察变量按时间顺序不停地写入ring即可
package main
import (
"container/ring"
"fmt"
)
func TraverseRing(ring *ring.Ring)
// 通过Do()来遍历ring,内部实际上调用了Next()而非Prev()
ring.Do(func(i interface)
fmt.Printf("%v ", i)
)
fmt.Println()
func main()
ring := ring.New(5) // 必须指定长度,各元素被初始化为nil
ring2 := ring.Prev()
for i := 0; i < 3; i++
ring.Value = i
ring = ring.Next()
for i := 0; i < 3; i++
ring2.Value = i
ring2 = ring2.Prev()
TraverseRing(ring)
TraverseRing(ring2) // ring和ring2当前所在的指针位置不同,所以遍历出来的顺序也不同
2. 栈
栈是一种先进后出的数据结构,push把元素压入栈底,pop弹出栈顶的元素,编程语言的编译系统也用到了栈的思想
go自带的List已经包含了栈的功能,这里实现一个线程安全的栈
type (
node struct
value interface
prev *node
MyStack struct
top *node
length int
lock *sync.RWMutex
)
func NewMyStack() *MyStack
return &MyStacknil, 0, &sync.RWMutex
func (stack *MyStack) Push(value interface)
stack.lock.Lock()
defer stack.lock.Unlock()
n := &nodevalue, stack.top
stack.top = n
stack.length++
func (stack *MyStack) Pop() interface
stack.lock.Lock()
defer stack.lock.Unlock()
if stack.length == 0
return nil
n := stack.top
stack.top = n.prev
stack.length--
return n.value
func (stack *MyStack) Peak() interface
stack.lock.RLock()
defer stack.lock.RUnlock()
if stack.length == 0
return nil
return stack.top.value
func (stack *MyStack) Len() int
return stack.length
func (stack *MyStack) Empty() bool
return stack.Len() == 0
3. 堆
堆是一棵二叉树,大根堆即任意节点的值都大于等于其子节点,反之为小根堆
用数组来表示堆,下标为 i 的结点的父结点下标为(i-1)/2,其左右子结点分别为 (2i + 1)、(2i + 2)
构建堆
package main
import "fmt"
// AdjustTraingle 如果只是修改slice里的元素,不需要传slice的指针;如果要往slice里append或让slice指向新的子切片,则需要传slice指针
func AdjustTraingle(arr []int, parent int)
left := 2 * parent + 1
if left >= len(arr)
return
right := 2 * parent + 2
minIndex := parent
minValue := arr[minIndex]
if arr[left] < minValue
minValue = arr[left]
minIndex = left
if right < len(arr)
if arr[right] < minValue
minValue = arr[right]
minIndex = right
if minIndex != parent
arr[minIndex], arr[parent] = arr[parent], arr[minIndex]
// 递归,每当有元素调整下来时,要对以它为父节点的三角形区域进行调整
AdjustTraingle(arr, minIndex)
func ReverseAdjust(arr []int)
n := len(arr)
if n <= 1
return
lastIndex := n / 2 * 2
fmt.Println(lastIndex)
// 逆序检查每一个三角形区域
for i := lastIndex; i > 0; i -= 2
right := i
parent := (right - 1) / 2
fmt.Println(parent)
AdjustTraingle(arr, parent)
func buildHeap()
arr := []int62, 40, 20, 30, 15, 10, 49
ReverseAdjust(arr)
fmt.Println(arr)
每当有元素调整下来时,要对以它为父节点的三角形区域进行调整
插入元素
删除堆顶
下面讲几个堆的应用
堆排序:
- 构建堆O(N)
- 不断地删除堆顶O(NlogN)
求集合中最大的K个元素:
- 用集合的前K个元素构建小根堆
- 逐一遍历集合的其他元素,如果比堆顶小直接丢弃;否则替换掉堆顶,然后向下调整堆
把超时的元素从缓存中删除:
- 按key的到期时间把key插入小根堆中
- 周期扫描堆顶元素,如果它的到期时间早于当前时刻,则从堆和缓存中删除,然后向下调整堆
Golang中的container/heap
实现了小根堆,但需要自己定义一个类,实现以下接口:
Len() int
Less(i, j int) bool
Swap(i, j int)
Push(x interface)
Pop() x interface
type Item struct
Value string
priority int // 优先级,数字越大,优先级越高
type PriorityQueue []*Item
func (pq PriorityQueue) Len() int
return len(pq)
func (pq PriorityQueue) Less(i, j int) bool
// Golang默认提供的是小根堆,而优先队列是大根堆,所以这里要反着定义Less
return pq[i].priority > pq[j].priority
func (pq PriorityQueue) Swap(i, j int)
pq[i], pq[j] = pq[j], pq[i]
// 往slice里append,需要传slice指针
func (pq *PriorityQueue) Push(x interface)
item := x.(*Item)
*pq = append(*pq, item)
// 让slice指向新的子切片,需要传slice指针
func (pq *PriorityQueue) Pop() interface
old := *pq
n := len(old)
item := old[n-1] // 数组最后一个元素
*pq = old[0 : n-1] // 去掉最一个元素
return item
4. Trie树
Trie树又叫字典权
现有term集合:分散,分散精力,分散投资,分布式,工程,工程师,把它们放到Trie树里如下图:
Trie树的根节点是总入口,不存储字符;对于英文,第个节点有26个子节点,子节点可以存到数组里;中文由于汉字很多,用数组存子节点太浪费内存,可以用map存子节点;从根节点到叶节点的完整路径是一个term,从根节点到某个中间节点也可能是一个term,即一个term可能是另一个term的前缀;上图中红圈表示从根节点到本节点是一个完整的term
package main
import "fmt"
type TrieNode struct
Word rune // 当前节点存储的字符。byte只能表示英文字符,rune可以表示任意字符
Children map[rune]*TrieNode // 孩子节点,用一个map存储
Term string
type TrieTree struct
root *TrieNode
// add 把words[beginIndex:]插入到Trie树中
func (node *TrieNode) add(words []rune, term string, beginIndex int)
// words已经遍历完了
if beginIndex >= len(words)
node.Term = term
return
if node.Children == nil
node.Children = make(map[rune]*TrieNode)
word := words[beginIndex] // 把这个word放到node的子节点中
if child, exists := node.Children[word]; !exists
newNode := &TrieNodeWord: word
node.Children[word] = newNode
newNode.add(words, term, beginIndex+1) // 递归
else
child.Go-加密学 - 对称加密