Java加密与安全

数据安全

  什么是数据安全？假如Bob要给Alice发送一封邮件，在发送邮件的过程中，黑客可能会窃取到邮件的内容，所以我们需要防窃听；黑客也有可能会篡改邮件的内容，所以Alice必须要有能有去识别邮件是否被篡改；最后，黑客也可能假冒Bob给Alice发送邮件，所以Alice还必须有能力识别出伪造的邮件。所以数据安全的几个要点就是：防窃听、防篡改和防伪造。
古代的加密方式：

• 移位密码：HELLO => IFMMP (把英文字母按顺序往后移动几位，这里就是HELLO中的每个字母向后移动一位，就变成了IFMMP)
• 替代密码：HELLO => p12,5,3（用某个书籍的某一页某一行的第几个单词来记录信息）

现代计算机加密：

• 建立在严格的数学理论基础上
• 密码学逐渐发展成一门科学

总结：

• 设计一个安全的加密算法非常困难
• 验证一个加密算法是否安全更加困难
• 当前被认为安全的加密算法仅仅是迄今为止尚未被攻破
• 不要自己去设计加密算法
• 不要自己去实现加密算法
• 不要自己修改已有的加密算法

编码算法

ASCII编码就是一种编码，部分编码如下：

字母	编码（16进制）
A	0x41
B	0x42
C	0x43
D	0x44
...	...

汉字使用不同的编码算法，得到的编码是不一样的，汉字是使用Unicode编码后是两个字节，经过UTF-8编码后得到三个字节：

汉字	Unicode编码	UTF-8编码
中	0x4e2d	0xe4b8ad
文	0x6587	0xe69687
编	0x7f16	0xe7bc96
码	0x7801	0xe7a081
...	...	...

URL编码是浏览器发送数据给服务器时使用的编码：

• key1=value1&key2=value2&key3=value3
• q=%E4%B8%AD%E6%95%87
  URL编码规则：
• A~Z,a~z,0~9以及-_.*保持不变
• 其它字符以%xx(以%开头的16进制来表示)
  • <: %3C
  • 中：%E4%B8%AD (正好对应UTF-8编码的16进制： 0xe4b8ad)

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String orginal = "URL 参数";
        // URL 编码
        String encode = URLEncoder.encode(orginal, "UTF-8");
        System.out.println(encode); // URL+%E5%8F%82%E6%95%B0

        // URL解码
        String decode = URLDecoder.decode(encode, "UTF-8");
        System.out.println(decode); // URL 参数
    }

  通过运行结果可以看到：URL编码英文字母保持不变，空格编码为"+"，一个中文经过UTF-8编码后，通常是以%开头的16进制编码。
总结：URL编码是编码算法，不是加密算法；URL编码的目的是把任意文本数据编码为%前缀表示的文本，编码后的文本仅包含A~Z，a~z，0~9，-_.*，%，便于浏览器和服务器处理。

  Base64编码：一种把二进制数据用文本表示的编码算法,例如我们有一个字节数组byte[]{0xe4,0xb8,0xad}，通过Base64编码后得到的字符串为"5Lit"。如何使用Base64进行编码？假如我们把汉字“中”用UTF8表示的字节表示出来，它就是{0xe4,0xb8,0xad}，这三个字节就是24位（11100100 10111000 10101101），我们把这24位按照每6位分组就形成4个字节，这四个字节对应的16进制就是{0x39,0x0b,0x22,0x2d}，通过查表就可得到分别对应的是{5,L,i,T}，所以最终编码出来的字符串就是5LiT。Base64对应的编码表从索引0开始，如下：

索引	编码	索引	编码	索引	编码	索引	编码
0	A	25	Z	51	z	61	9
1	B	26	a	52	0	62	+
2	C	27	b	53	1	63	/
3	D	28	c	54	2
...	...	...	...	...	...

使用Base64编码的目的：一种用文本（A~Z，a~z，0~9，+/=）表示二进制内容的方式，适用于文本协议，但效率会下降（因为二进制经过Bse64编码长度会增加1/3），应用比如电子邮件协议。如果数组的长度不是3的整数倍，末尾补0x00或0x00 0x00，编码后加=表示补充了一个字节，编码后加==表示补充了2个字节。在解码时就可以去掉补充的字节。

    public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {
        String orignal = "Hello\u00ff编码测试";
//        String b64 = Base64.getEncoder().encodeToString(orignal.getBytes("UTF-8"));

        //去掉等号，实际上有没等号在解码时是不影响的
        String b64 = Base64.getEncoder().withoutPadding().encodeToString(orignal.getBytes("UTF-8"));
        System.out.println(b64);

        String ori = new String(Base64.getDecoder().decode(b64), "UTF-8");
        System.out.println(ori);

        //实现URL的Base64编码和解码
        String urlB64 = Base64.getUrlEncoder().withoutPadding().encodeToString(orignal.getBytes("UTF-8"));
        System.out.println(urlB64);

        String urlOri = new String(Base64.getUrlDecoder().decode(urlB64), "UTF-8");
        System.out.println(urlOri);
        
        //在Java中，使用URL的Base64编码，它会把"+"变为"-",把"/"变为"_"，这样我们在传递URL参数的时候，就不会引起冲突
    }

总结：Base64是编码算法，不是加密算法；Base64编码的目的是把任意二进制数据编码为文本（长度增加1/3）；其它编码：Base32，Base48，Base58

摘要算法

  摘要算法（哈希算法/Hash/Digst/数字指纹），计算任意长度数据的摘要（固定长度），相同数据的输入始终得到相同的输出，不同的输入数据尽量得到不同的输出，目的是为了验证原始数据是否被篡改。如果我们的输入是任意长度的数据，而输出的是固定长度的数据，我们就可以称之为摘要算法。Java中Object的hashCode()方法就是一个摘要算法。什么是碰撞呢？碰撞是指两个不同的输入得到了相同的输出，而且碰撞是不能避免的，这是因为输出的字节长度是固定的，而输入的字节的长度是不固定的，所以hash算法实际上是将一个无限的输入集合映射到一个有限的输出集合。
Hash算法的安全性：

• 碰撞率低
• 不能猜测输出
• 输入的任意一个bit的变化会造成输出完全不同
• 很难以从输出反推输入（只能依靠暴力穷举）

常用的摘要算法

算法	输出长度
MD5	128 bits	16 bytes
SHA-1	160 bits	20 bytes
SHA-256	256 bits	32 bytes
RipeMD-160	160 bits	20 bytes

MD5算法

在Java中使用MD5：

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MessageDigest digest1 = MessageDigest.getInstance("MD5");
        digest1.update("helloworld".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result1 = digest1.digest();
        for (byte b : result1) {
            System.out.print(b + "\t"); // -4 94 3 -115	56 -91	112 50	8 84 65	-25 -2 112 16 -80
        }

        System.out.println();

        //输入的数据可以分片输入,得到的结果是一样的
        MessageDigest digest2 = MessageDigest.getInstance("MD5");
        digest2.update("hello".getBytes("UTF-8"));
        digest2.update("world".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result2 = digest2.digest();
        for (byte b : result2) {
            System.out.print(b + "\t"); // -4 94 3 -115	56 -91	112 50	8 84 65	-25 -2 112 16 -80	
        }
    }

  MD5用途：可以用来验证文件的完整性，比如我们在MySQL网站下载mysql时，mysql网站会给出每一个下载文件的MD5值，在下完文件后，通过计算MD5和网站给出的MD5对比，就可以计算出文件在下载过程中是否出现错误。

  MD5存储用户口令，由于系统不存储用户原始口令（例如数据库中存储的密码），系统存储用户原始口令的MD5。如何判断用户口令是否正确？系统计算用户输入的原始口令的MD5和数据库存储的MD5进行对比，相同则口令正确，不相同则口令错误。使用MD5要避免彩虹表攻击，什么是彩虹表呢？彩虹表就是预先计算好的常用口令。为了抵御彩虹表攻击，通常我们需要对每个口令额外添加随机数salt。

SAH-1算法

  SAH-1算法是一种哈希算法，输出160 bits / 20 bytes，美国国家安全局开发，常见的有SHA-1 / SHA-256 / SHA-512。SAH-1算法是比MD5更安全的哈希算法。

BouncyCastle算法

  BouncyCastle是第三方提供的一组加密/哈希算法，提供JDK没有提供的算法（RipeMD160 算法），如何使用第三方提供的算法？先添加第三方jar至classpath，注册第三方算法提供方（通过Security.addProvider()注册），正常使用JDK提供的接口。

Hmac算法

  Hmac：Hash-based Message Authentication Code的缩写，基于密钥的消息认证码算法，是更安全的消息摘要算法。HmacMD5相当于md5（secure_random_key,data），所以HmacMD5可以看作带安全Salt的MD5。Hmac是把key混入摘要的算法，并不是新发明的一种算法，必须配合MD5,SHA-1等摘要算法，摘要长度和原摘要算法长度相同。

加密算法

对称加密算法

  对称加密算法的加密和解密使用同一个密钥，例如WinRAR，我们在对文件进行压缩时，可以设一个密码，再解压时，我们需要使用 同一个密码才能进行解压，winRAR就是使用的对称加密算法。加密：encrypt(密钥key,原文message)->密文s，解密：decrypt（密钥key,密文s）-> 原文message。常用的对称加密算法有DES，AES，IDEA等。由于DES的密钥较短，可以在短时间内暴力破解，现在已经不使用了。
Java使用 AES的ECB模式下的加密和解密：

public class AES_ECB_Cipher {

    private static final String CIPHER_NAME = "AES/ECB/PKCS5Padding";

    //加密
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_NAME);
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        //使用加密模式
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
        //通过doFinal()得到加密后的字节数组
        return cipher.doFinal(input);
    }

    //解密
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_NAME);
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        //使用解密模式
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
        //通过doFinal()将密文还原为原文
        return cipher.doFinal(input);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //原文
        String message = "Hello, World! encrypted using AES";
        System.out.println("Message: " + message); // message: Hello, World! encrypted using AES

        //128位密钥 = 16 bytes key
        byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes("UTF-8");
        //加密
        byte[] data = message.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        //加密后的密文： Encrypted data: g89TtEMHXpwwjrEbXcljDQIUi09dPO9fVx4OgZ7ozsFgo8Zilj6cypxChst75GTR
        System.out.println("Encrypted data: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        //解密
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        //解密后得到结果与原文相同：Decrypted data: Hello, World! encrypted using AES
        System.out.println("Decrypted data: " + new String(decrypted,"UTF-8"));
    }
}

Java使用 AES的CBC模式下的加密和解密：

public class AES_CBC_Cipher {

    private static final String CIPHER_NAME = "AES/CBC/PKCS5Padding";

    //加密
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_NAME);
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        //CBC模式需要生成一个16字节的initiallization vector
        SecureRandom sr = SecureRandom.getInstanceStrong();
        //获取向量，即16位字节的随机数
        byte[] iv = sr.generateSeed(16);
        //把字节数组转为IvParameterSpec对象
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        byte[] data = cipher.doFinal(input);
        //IV不需要保密，把IV和密文一起返回
        return join(iv, data);
    }

    private static byte[] join(byte[] iv, byte[] data) {
        byte[] r = new byte[iv.length + data.length];
        System.arraycopy(iv, 0 ,r, 0, iv.length);
        System.arraycopy(data, 0 ,r, iv.length, data.length);
        return r;
    }

    //解密
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws Exception {
        //把input分割成iv和密文
        byte[] iv = new byte[16];
        byte[] data = new byte[input.length - 16];
        System.arraycopy(input, 0 ,iv, 0, 16);
        System.arraycopy(input, 16 ,data, 0, data.length);

        //解密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_NAME);
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,keySpec,ivps);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //原文
        String message = "Hello, World! encrypted using AES";
        System.out.println("Message: " + message); // message: Hello, World! encrypted using AES

        //128位密钥 = 16 bytes key
        byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes("UTF-8");
        //加密
        byte[] data = message.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        //加密后的密文： Encrypted data: 3iwMkdAqR0eQYQqaxOEKao+N0gSp/05i+mULmLvndSKq4Z2xz122wmFARWbAwF6dElmnceO/x5pJHcwXSr8inQ==
        System.out.println("Encrypted data: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        //解密
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        //解密后得到结果与原文相同：Decrypted data: Hello, World! encrypted using AES
        System.out.println("Decrypted data: " + new String(decrypted,"UTF-8"));
    }
}

口令加密算法

  PBE(Passwoord Based Encrytion)算法：由用户输入口令，采用随机数杂凑计算出密钥再进行加密，password：用户口令，例如"hello123"，Salt：随机生成的byte[]，密钥Key：generate(byte[] salt, String password)。如果把随机Salt存储在U盘，就得到了一个“口令”+USB Key加密软件，这样做的好处是即时用户使用非常弱的口令，没有USB Key仍然无法解密。

总结：PBE算法通过用户口令和随机数Salt计算Key然后加密，Key通过用户口令和随机数Salt计算得出，提高了安全性，PBE算法内部仍然使用的是标准对称加密算法（例如AES）。

密钥交换算法

  我们在使用对称加密算法的时候，我们的加密和解密使用的是同一个密钥Key。我们以AES加密为例，当我们要加密明文，我们需要使用一个随机生成的Key作为密钥进行加解密，最后我们的问题就是如何传递密钥？因为不给对方密钥，对方就无法解密，而直接传递密钥，会被黑客监听，所以问题就变成了：如何在不安全的信道上安全地传输密钥？密钥交换算法也就是Diff-Hellman算法，即DH算法。

1. 甲首先选择一个素数P=509，然后在选择一个底数g和一个随机数a，然后计算 A=\(g^a\) mod p => 215
2. 甲发送P=509，g=5，A=215，乙收到以后，也选择一个随机数b=456，然后计算 B=\(g^b\) mod p => 181，然后接着计算 s = \(A^b\) mod p => 121
3. 乙把计算的B=181发送给甲，甲通过 s=\(B^a\) mod p 可以计算出也等于121。所以双方协商出的密钥就是121。

  要注意这个密钥并没有在网络上进行传输，通过网络传输的是p=509，g=5, A=215, B=181，但是通过这四个数，黑客是无法推算出密钥s的。更确切的说，DH算法它是一个密钥协商算法，双发最终协商出一个共同的密钥。我们把a看成是甲的私钥，A看成是甲的公钥，b看成是乙的私钥，B看成是乙的公钥，DH算法的本质就是：双方各自生成自己的私钥和公钥，然后交换公钥，并且根据自己的私钥和对方的公钥生成最终的密钥。DH算法根据数学定律保证了双方各自计算出来的key是相同的。

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyAgreement;
import javax.crypto.SecretKey;
import java.io.IOException;
import java.math.BigInteger;
import java.security.*;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;

class Person {
    public final String name; // 表示人的名字

    public PublicKey publicKey; // 表示这个人的公钥
    public PrivateKey privateKey; // 表示这个人的私钥
    public SecretKey secretKey; //表示最终的密钥

    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }

    //生成本地的KeyPair
    public void generateKeyPair() {
        try {
            KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
            keyGen.initialize(512); //创建一个512位的keyPair
            KeyPair keyPair = keyGen.generateKeyPair();
            this.privateKey = keyPair.getPrivate();
            this.publicKey = keyPair.getPublic();
        } catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public void generateSecreteKey(byte[] recivedPUblickeyBytes) {
        //从byte[]恢复PublcKey
        try {
            X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(recivedPUblickeyBytes);
            KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("DH");
            PublicKey recivedPublicKey = kf.generatePublic(keySpec);
            //生成本地密钥
            KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance("DH");
            keyAgreement.init(this.privateKey); // 自己的私钥
            keyAgreement.doPhase(recivedPublicKey,true); // 对方的公钥
            //生成AES密钥
            this.secretKey = keyAgreement.generateSecret("AES");
        } catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public void printKeys(){
        System.out.printf("Name: %s\n", this.name);
        System.out.printf("private key: %x\n",new BigInteger(1,this.privateKey.getEncoded()));
        System.out.printf("public key: %x\n",new BigInteger(1,this.publicKey.getEncoded()));
        System.out.printf("secrete key: %x\n",new BigInteger(1,this.secretKey.getEncoded()));
    }

    //发送加密信息
    public String sendMessage(String message){
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,this.secretKey);
            byte[] data = cipher.doFinal(message.getBytes("UTF-8"));
            return Base64.getEncoder().encodeToString(data);
        } catch (GeneralSecurityException |IOException e) {
           throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    //接收加密信息并解密
    public String reciveMessage(String message){
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,this.secretKey);
            byte[] data = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(message));
            return new String(data,"UTF-8");
        } catch (GeneralSecurityException |IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

}

public class DH {

    public static void main(String[] args) {
        //Bob和Alice
        Person bob = new Person("Bob");
        Person alice = new Person("Alice");

        //生成各自的keyPair
        bob.generateKeyPair();
        alice.generateKeyPair();

        //双方交换各自的public Key
        //Bob根据Alice的public Key生成自己的本地密钥
        bob.generateSecreteKey(alice.publicKey.getEncoded());
        //Alice根据Bob的public Key生成自己的本地密钥
        alice.generateSecreteKey(bob.publicKey.getEncoded());

        //检查双方的本地密钥是否相同
        bob.printKeys();
        alice.printKeys();

        //双方的SecretKey相同，后续通信将使用SecretKey作为密钥进行AES加解密
        String msgBobToAlice = bob.sendMessage("Hello, Alice!");
        System.out.println("Bob -> Alice: " + msgBobToAlice);
        String aliceDecrypted = alice.reciveMessage(msgBobToAlice);
        System.out.println("Alice decrypted: " + aliceDecrypted);
    }

}

运行结果如下：

如果在运行过程中出现： Unsupported secret key algorithm: AES 异常信息，这是由于密钥所用的算法不被支持，这个是由于JDK8 update 161之后，DH的密钥长度至少为512位，但AES算法密钥不能达到这样的长度，长度不一致所以导致报错。
解决办法：将 -Djdk.crypto.KeyAgreement.legacyKDF=true 写入JVM系统变量中。可以在IEDA中的Run - Edit Configurations -> VM options中配置，如下图：

  但DH算法不能避免中间人攻击，如果黑客假冒乙和甲交换密钥，同时又假冒甲和乙交换密钥，这样就可以成功地进行工具。DH算法是一种安全的密钥交换协议，通信双方通过不安全的信道协商密钥，然后进行对称加密传输。

非对称加密算法

非对称加密就是加密和解密使用不同的密钥，非对称加密的典型算法就是RSA算法，

• 加密：用对方的公钥加密，然后发送给对方 encrypt(publicKeyB,message) -> encrypted
• 解密：对方用自己私钥解密 decrypt(privateKeyB,encrypted) -> message

import javax.crypto.Cipher;
import java.security.*;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;

public class RSAKeyPair {

    //私钥
    private PrivateKey sk;

    //公钥
    private PublicKey pk;

    //生成公钥/私钥对
    public RSAKeyPair() throws GeneralSecurityException {
        KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        keyGen.initialize(1024);
        KeyPair kp = keyGen.generateKeyPair();
        this.sk = kp.getPrivate();
        this.pk = kp.getPublic();
    }

    //从已保存的字节中（例如读取文件）恢复公钥/密钥
    public RSAKeyPair(byte[] pk, byte[] sk) throws GeneralSecurityException {
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(pk);
        this.pk = keyFactory.generatePublic(keySpec);
        PKCS8EncodedKeySpec skSpec = new PKCS8EncodedKeySpec(sk);
        this.sk = keyFactory.generatePrivate(skSpec);
    }

    //把私钥到处为字节
    public byte[] getPrivateKey(){
        return this.sk.getEncoded();
    }

    //把公钥导出为字节
    public byte[] getPublicKey(){
        return this.pk.getEncoded();
    }

    //用公钥加密
    public byte[] encrypt(byte[] message) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,this.pk);
        return cipher.doFinal(message);
    }

    //用私钥解密
    public byte[] decrypt(byte[] input) throws GeneralSecurityException{
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, this.sk);
        return cipher.doFinal(input);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //明文
        byte[] plain = "Hello，使用RSA非对称加密算法对数据进行加密".getBytes();
        //创建公钥/私钥 对
        RSAKeyPair rsa = new RSAKeyPair();
        //加密
        byte[] encrypt = rsa.encrypt(plain);
        System.out.println("encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypt));
        //解密
        byte[] decrypt = rsa.decrypt(encrypt);
        System.out.println("decrypted: " + new String(decrypt,"UTF-8"));

        //保存公钥/私钥 对
        byte[] sk = rsa.getPrivateKey();
        byte[] pk = rsa.getPublicKey();
        System.out.println("sk: " + Base64.getEncoder().encodeToString(sk));
        System.out.println("pk: " + Base64.getEncoder().encodeToString(pk));

        //重新恢复公钥/私钥
        RSAKeyPair rsaKeyPair = new RSAKeyPair(pk, sk);
        //加密
        byte[] encrypted = rsaKeyPair.encrypt(plain);
        System.out.println("encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        //解密
        byte[] decrypted = rsa.decrypt(encrypted);
        System.out.println("decrypted: " + new String(decrypted,"UTF-8"));


    }

}

运行结果：

非堆成加密算法有如下优点：

• 对称加密需要协商密钥，而非对称加密可以安全地公开各自的公钥
• N个人之间通信
  • 使用非对称加密只需要N个密钥对，每个人只管理自己的密钥对
  • 使用对称加密需要N*(N-1)/2个密钥，每个人需要管理N-1个密钥

非对称加密的缺点：

• 运算速度慢
• 不能防止中间人攻击

数字签名算法

RSA签名算法

  在非对称加密中，我们可以看到甲乙双方要进行通信，甲可以使用乙的publicKey对消息进行加密，然后乙使用自己的privateKey对消息进行解密，这个时候会出现一个问题，如果黑客使用乙的publicKey对消息进行加密，然后冒充甲发送给乙，那么乙怎么识别这个消息是甲发送的还是冒充的呢？所以我们就需要数字签名算法。甲在发送加密信息的时候，同时还要发送自己的签名，而这个签名是使用甲的privateKey计算的，而乙要验证这个签名是否是合法的，它会用甲的publicKey进行验证，如果验证成功，则说明这个消息确实是甲发送的。所以数字签名就是发送方用自己的私钥对消息进行签名（sig=signature(privateKey,'message')），接收方用发送方的公钥验证签名是否有效（boolen valid = verify(publicKey,sig,'message')），我们可以把数字签名理解为混入了私钥和公钥的摘要。
数字签名的目的：

• 确认信息是某个发送方发的（因为只有它用他自己的privateKey签名，其他人才可以用它的publickey来验证这个签名）
• 发送发不能抵赖它发送了消息（因为用谁的publicKey成功的验证了签名，则这个 签名也是用谁的privateKey进行的签名）
• 数据在传输过程中没有被修改

常用的数字签名算法：

• MD5withRSA
• SHA1withRSA
• SHA256withRSA

import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.*;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;

public class SecRSASignature {

    private PublicKey pk;

    private PrivateKey sk;

    public SecRSASignature() throws GeneralSecurityException {
        //生成 KeyPair
        KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        keyGen.initialize(1024);
        KeyPair kp = keyGen.generateKeyPair();
        this.sk = kp.getPrivate();
        this.pk = kp.getPublic();
    }

    //从已保存的字节中（例如读取文件）恢复公钥/密钥
    public SecRSASignature(byte[] pk, byte[] sk) throws GeneralSecurityException {
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(pk);
        this.pk = keyFactory.generatePublic(keySpec);
        PKCS8EncodedKeySpec skSpec = new PKCS8EncodedKeySpec(sk);
        this.sk = keyFactory.generatePrivate(skSpec);
    }

    //把私钥到处为字节
    public byte[] getPrivateKey(){
        return this.sk.getEncoded();
    }

    //把公钥导出为字节
    public byte[] getPublicKey(){
        return this.pk.getEncoded();
    }

    //对消息进行签名
    public byte[] sign(byte[] message) throws GeneralSecurityException {
        //sign by sk
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withRSA");
        signature.initSign(this.sk);
        signature.update(message);
        return signature.sign();
    }

    //私用公钥验证签名
    public boolean verify(byte[] message, byte[] sign) throws GeneralSecurityException {
        //verify by pk
        Signature sha1withRSA = Signature.getInstance("SHA1withRSA");
        sha1withRSA.initVerify(this.pk);
        sha1withRSA.update(message);
        return sha1withRSA.verify(sign);
    }

    public static void main(String[] args) throws GeneralSecurityException {
        byte[] message = "Hello,使用SHA1withRSA算法进行数字签名！".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        SecRSASignature rsas = new SecRSASignature();
        byte[] sign = rsas.sign(message);
        System.out.println("sign: " + Base64.getEncoder().encodeToString(sign));
        boolean verified = rsas.verify(message, sign);
        System.out.println("verified: " + verified);
        //用另一个公钥验证
        boolean verified02 = new SecRSASignature().verify(message, sign);
        System.out.println("verify with another public key: " + verified02);
        //修改原始信息
        message[0] = 100;
        boolean verified03 = rsas.verify(message, sign);
        System.out.println("verify changed message: " + verified03);
    }

}

运行结果如下：

DSA签名算法

  DSA(Digital Signature Algorithm)，使用EIGamal数字签名算法，DSA只能配合SHA算法使用，所以有SHA1withDSA,SHA256withDSA,SHA512withDSA算法。和RSA数字签名算法相比，DSA算法更快。测试代码和测试RSA数字签名算法的代码一致，只需要修改算法名称就行了。

数字证书

数字正数：

• 非对称加密算法：对数据进行加密、解密
• 签名算法：确保数据的完整性和抗否认性
• 摘要算法：确保证书本身没有被篡改

  数字证书可以防止中间人攻击，因为它采用链式签名认证，即通过根证书（Root CA）去签名下一级证书，这样层层签名，直到最终的用户证书。而Root CA证书内置于操作系统中，所以，任何经过CA认证的数字证书都可以对其本身进行校验，确保证书本身不是伪造的。

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.math.BigInteger;
import java.security.*;
import java.security.cert.X509Certificate;

public class X509 {

    private final PrivateKey privateKey;
    public final X509Certificate certificate; // 证书和证书包含的公钥和摘要信息

    public X509(KeyStore keyStore, String certName, String password) {
        try {
            this.privateKey = (PrivateKey) keyStore.getKey(certName,password.toCharArray());
            this.certificate = (X509Certificate) keyStore.getCertificate(certName);
        } catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    //加密
    public byte[] encrypt(byte[] message) {
        try {
            //获得加密算法
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(this.privateKey.getAlgorithm());
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,this.privateKey);
            return cipher.doFinal(message);
        }  catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    //解密
    public byte[] decrypt(byte[] message) {
        try {
            PublicKey publicKey = this.certificate.getPublicKey();
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(publicKey.getAlgorithm());
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,publicKey);
            return cipher.doFinal(message);
        }  catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public byte[] sign(byte[] message) {
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance(this.certificate.getSigAlgName());
            signature.initSign(this.privateKey);
            signature.update(message);
            return signature.sign();
        }  catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public boolean verify(byte[] message, byte[] sign) {
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance(this.certificate.getSigAlgName());
            signature.initVerify(this.certificate);
            signature.update(message);
            return signature.verify(sign);
        }  catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    //Java中的数字证书是存储在keyStore中的
    public static KeyStore loadKeyStore(String keyStoreFile, String password) {
        try (InputStream input = new BufferedInputStream(new FileInputStream(keyStoreFile))) {
            if (input == null) {
                throw new RuntimeException("file not found in classpath: " + keyStoreFile);
            }
            KeyStore ks = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());
            ks.load(input, password.toCharArray());
            return ks;
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] message = "Hello, 使用X.509证书进行加密和签名!".getBytes("UTF-8");
        // 读取KeyStore:
        KeyStore ks = loadKeyStore("my.keystore", "123456");
        // 读取证书
        X509 x509 = new X509(ks,"mycert", "123456");
        // 加密:
        byte[] encrypted = x509.encrypt(message);
        System.out.println(String.format("encrypted: %x", new BigInteger(1, encrypted)));
        // 解密:
        byte[] decrypted = x509.decrypt(encrypted);
        System.out.println("decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8"));
        // 签名:
        byte[] sign = x509.sign(message);
        System.out.println(String.format("signature: %x", new BigInteger(1, sign)));
        // 验证签名:
        boolean verified = x509.verify(message, sign);
        System.out.println("verify: " + verified);
    }

}

运行结果如下：

打开命令行，进入当前工程所在目录，输入命令:keytool -storepass 123456 -genkeypair -keyalg RSA -keysize 1024 -sigalg SHA1withRSA -validity 36500 -alias mycert -keystore my.keystore -dname "CN=www.sample.com, OU=sample, O=sample, L=BJ, ST=BJ, C=CN" 即可生成keystore文件，通过命令：keytool -list -keystore my.keystore -storepass 123456 可以看到keySore中的证书。
数字证书的应用：

• https: HTTP over SSL
  • 服务器发送证书给客户端（发送公钥/签名/CA）
  • 客服端验证服务器证书（确认服务器身份）
  • 客户端用证书加密随机口令并发送给服务器端（公钥加密）
  • 服务器端解密获得口令（私钥解密）
  • 双方随后使用AES加密进行通信（对称加密）

总结：数字证书就是集合了多种密码学算法，用于实现数据加解密、身份认证、签名等多种功能的一种网络安全标准，数字证书采用链式签名管理，顶级CA证书已经内置于操作系统中，常用算法：MD5/SHA1/SHA256/RSA/DSA/...