互联网的安全算法和摘要、签名认证
本文主要总结一些互联网的安全算法和摘要、签名认证，内容来自《大型分布式网站架构设计与实践》。
一、常用的安全算法
常用的安全算法主要包括摘要算法、对称加密算法、非对称加密算法、信息编码等。
1、数字摘要
数字摘要也称为消息摘要，它是一个唯一对应一个消息或文本的固定长度的值，它由一个单向Hash函数对消息进行计算而产生。
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
（1）MD5
即Message Digest Algorithm 5（消息摘要算法5），用于确保信息传输完整性和一致性，摘要长度为128位。
public static byte[] testMD5(String content) throws Exception {
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
byte[] bytes = md.digest(content.getBytes("utf8"));
return bytes;
}（2）SHA
SHA的全称是Secure Hash Algorithm，即安全散列算法。生成的摘要信息的长度为160位，相同的硬件下运行速度比MD5更慢，但也更安全。
public static byte[] testSHA1(String content) throws Exception {
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
byte[] bytes = md.digest(content.getBytes("utf8"));
return bytes;
}一般需要对生成的摘要字符串进行编码，常用的编码方式有十六进制编码和Base64编码。
（3）16进制编码
十六进制由0~9和A~F来进行表示，与十进制的对应关系是：0~9对应0~9，A~F对应10~15。
// 十六进制编码
public static String bytes2hex(byte[] bytes) {
StringBuilder hex = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
byte b = bytes[i];
boolean negative = false;// 是否为负数
if (b < 0) negative = true;
int inte = Math.abs(b);
if (negative) inte = inte | 0x80;// 负数会转成证书（最高位的负号变成数值计算，再转十六进制
String temp = Integer.toHexString(inte & 0xFF);
if (temp.length() == 1) {
hex.append("0");
}
hex.append(temp.toLowerCase());
}
return hex.toString();
}
// 十六进制解码
public static byte[] hex2bytes(String hex) {
byte[] bytes = new byte[hex.length()/2];
for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
String subStr = hex.substring(i, i + 2);
boolean negative = false;// 是否为负数
int inte = Integer.parseInt(subStr, 16);
if (inte > 127) negative = true;
if (inte == 128) {
inte = -128;
} else if (negative) {
inte = 0 - (inte & 0x7F);
}
byte b = (byte) inte;
bytes[i/2] = b;
}
return bytes;
}每一个byte包含8位二进制数据，由于Java中没有无符号整型，因此8位中有一位为符号位，需要将符号位转换为对应的数值，然后再转换为对应的十六进制。8位二进制可以转换为2位十六进制，不足2位的进行补0，而解码时，需要先将符号位进行还原，再对数值进行转换，使用了Integer.parseInt(subStr, 16)这个方法来对十六进制进行解析，将其转换为整型的数值，然后判断正负，计算出符号位，并将剩余的位还原为byte的数值。
（4）Base64编码
只要得到Base64编码的内容，便可通过固定的方法，逆向得出编码之前的信息，Base64算法仅仅只是一种编码算法而已。
// 编码
public static String byte2base64(byte[] bytes) {
return Base64.getEncoder().encodeToString(bytes);
}
// 解码
public static byte[] base642byte (String base64) {
return Base64.getDecoder().decode(base64);
}（5）彩虹表破解Hash算法
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
2、对称加密算法
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
（1）DES算法
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
// 生成DES密钥
public static String getKeyDES() throws Exception {
KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("DES");
keyGen.init(56);
SecretKey key = keyGen.generateKey();
String base64 = byte2base64(key.getEncoded());
return base64;
}
public static SecretKey loadKeyDES(String base64Key) {
byte[] bytes = base642byte(base64Key);
SecretKey key = new SecretKeySpec(bytes, "DES");
return key;
}
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
// 加密与解密
public static byte[] encryptDES(byte[] source, SecretKey key) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] bytes = cipher.doFinal(source);
return bytes;
}
public static byte[] decryptDES(byte[] source, SecretKey key) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
byte[] bytes = cipher.doFinal(source);
return bytes;
}加密与解密均需要实例化Cipher对象，加密时，Cipher初始化需要传入加密模式Cipher.ENCRYPT_MODE和对应的密钥SecretKey的实例，而解密时，传入的参数为Cipher.DECRYPT_MODE和对应的密钥SecretKey。
（2）AES算法
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
// 生成AES密钥
public static String getKeyAES() throws Exception {
KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
keyGen.init(56);// 支持128、192、256三种(使用192位和256位的密钥，需要另外下载无政策和司法限制的文件)
SecretKey key = keyGen.generateKey();
String base64Str = byte2base64(key.getEncoded());
return base64Str;
}
public static SecretKey loadKeyAES(String base64Key) {
byte[] bytes = base642byte(base64Key);
SecretKey key = new SecretKeySpec(bytes, "AES");
return key;
} // 加密与解密
public static byte[] encryptAES(byte[] source, SecretKey key) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] bytes = cipher.doFinal(source);
return bytes;
}
public static byte[] decryptAES(byte[] source, SecretKey key) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
byte[] bytes = cipher.doFinal(source);
return bytes;
}3、非对称加密算法
基本过程：甲方先生成一对密钥并将其中的一把作为公钥向其他人公开，得到该公钥的乙方使用该密钥对机密信息进行加密后再发送给甲方，甲方再使用自己保存的另一把专用密钥（即私钥）对加密后的信息进行解密，如图
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
（1）RSA算法
是目前最有影响力的非对称加密算法，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。RSA算法基于一个简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但反过来想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。
生成公钥与密钥
// 生成密钥对
public static KeyPair getKeyPair() throws Exception {
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
keyPairGenerator.initialize(512);
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
return keyPair;
}
// 获取公钥
public static String getPublicKey(KeyPair keyPair) {
PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
byte[] bytes = publicKey.getEncoded();
return byte2base64(bytes);
}
// 获取私钥
public static String getPrivateKey(KeyPair keyPair) {
PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
byte[] bytes = privateKey.getEncoded();
return byte2base64(bytes);
}将String类型的密钥转换为PublicKey和PrivateKey对象
// 将String类型的密钥转换为PublicKey
public static PublicKey string2PublicKey(String pubStr) throws Exception {
byte[] keyBytes = base642byte(pubStr);
X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(keySpec);
return publicKey;
}
// 将String类型的密钥转换为PrivateKey
public static PrivateKey string2PrivateKey(String priStr) throws Exception {
byte[] keyBytes = base642byte(priStr);
PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(keySpec);
return privateKey;
}使用公钥加密，私钥解密
// 使用公钥加密
public static byte[] publicEncrypt(byte[] content, PublicKey publicKey) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
byte[] bytes = cipher.doFinal(content);
return bytes;
}
// 使用私钥解密
public static byte[] privateDecrypt(byte[] content, PrivateKey privateKey) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
byte[] bytes = cipher.doFinal(content);
return bytes;
}4、数字签名
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
生成数字签名
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
校验数字签名
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
（1）MD5withRSA
<1>自己实现
生成签名
private static byte[] sign(byte[] content, PrivateKey privateKey) throws Exception {
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
byte[] bytes = md.digest(content);
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
byte[] encryptBytes = cipher.doFinal(bytes);
return encryptBytes;
}校验签名
private static boolean verify(byte[] content, byte[] sign, PublicKey publicKey) throws Exception {
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
byte[] bytes = md.digest(content);
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);
byte[] decryptBytes = cipher.doFinal(sign);
if (byte2base64(decryptBytes).equals(byte2base64(bytes))) {
return true;
}
return false;
}<2>基于Java的Signature API实现
生成签名
private static byte[] sign(byte[] content, PrivateKey privateKey) throws Exception {
Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
signature.initSign(privateKey);
signature.update(content);
return signature.sign();
}校验签名
private static boolean verify(byte[] content, byte[] sign, PublicKey publicKey) throws Exception {
Signature signature = Signature.getInstance(MD5withRSA);
signature.initVerify(publicKey);
signature.update(content);
return signature.verify(sign);
}（2）SHA1withRSA
与MD5withRSA类似，只是使用SHA1取代MD5生成正文的数字摘要。Java API的调用也类似，只是签名算法换成了SHA1withRSA。
二、摘要认证的实现
1、客户端参数摘要生成
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
2、服务端参数摘要校验
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
3、服务端响应摘要生成
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
4、 客户端响应摘要校验
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三、签名认证的实现
1、客户端参数签名生成
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2、服务端参数签名校验
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3、 服务端响应签名生成
图片摘自《大型分布式网站架构设计与实践》
4、 客户端响应签名校验
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