Java 加密解密和数字签名

在做项目中,只要涉及敏感信息,或者对安全有一定要求的场景,都需要对数据进行加密。在Java中原生API即可实现对称加密与非对称加密,并支持常用的加密算法。

对称加密

对称加密使用单钥完成加解密,加密和解密采用相同的密钥。对称加密的速度快,常用于大量数据进行加密。主流的算法有:AES,3DES。

生成3DES密钥

/**

* 对称加密-3DES算法,取代旧的DES

*/SecretKey desKey = KeyGenerator.getInstance("DESede").generateKey();

生成AES密钥

/**

* 生成AES算法的密钥

*/SecretKey aesKey = KeyGenerator.getInstance("AES").generateKey();

保存密钥

对称密钥一般使用二进制保存

SecretKey desKey = KeyGenerator.getInstance("DESede").generateKey();// 二进制密钥byte[] bkey = desKey.getEncoded();// 转成十六进制StringkeyStr = Hex.byteCoverToString(bkey);

读取密钥

可以自己生成随机字符串转成byte数组生成密钥,注意byte长度不能小于24位。

// bkey是byte数组DESedeKeySpec keySpec =newDESedeKeySpec(bkey);// 读取AES密钥SecretKey srtKey = SecretKeyFactory.getInstance("AES").generateSecret(keySpec);

Hex是我自己写的工具类。byte数组和十六进制互转的方法有很多,篇幅有限就不贴出来了。可以引入 Apache Commons Codec 工具类,提供Hex,Base64等常用方法。

非对称加密

非对称加密使用密钥对进行加密。一般使用私密加密,公钥解密,也可以反过来用。但自己加密的数据自己不能解,只能依靠对方解密,可以很好的防止单方面密钥泄露。常用的加密算法有:RSA,DSA。

生成密钥对

/**

* 可以传RSA或DSA算法

*/KeyPair keyPair = KeyPairGenerator.getInstance("RSA").generateKeyPair();// 私钥PrivateKey prvKey = keyPair.getPrivate();// 公钥PublicKey pubKey = keyPair.getPublic();

保存密钥

非对称密钥一般使用Base64编码保存。

// 私钥串StringprvKeyStr = Base64.getEncoder().encodeToString(prvKey.getEncoded());// 公钥串StringpubKeyStr = Base64.getEncoder().encodeToString(pubKey.getEncoded());

非对称加密对加密内容长度有限制,不能超过192位。虽然可以使用加密数据数流来突破限制,但由于非对称加密效率不如对称加密,非对称加密一般用来加密对称密钥。

读取密钥

// 从二进制中读取私钥byte[] bPrvKey = Base64.getDecoder().decode(prvKeyStr);PKCS8EncodedKeySpec rsaKeySpec =newPKCS8EncodedKeySpec(bPrvKey);PrivateKey prvKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(rsaKeySpec);// 从二进制中读取公钥byte[] bPubKey = Base64.getDecoder().decode(pubKeyStr);X509EncodedKeySpec rsaKeySpec1 =newX509EncodedKeySpec(bPubKey);PublicKey pubKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(rsaKeySpec1);

我们在接入其他系统中,有时不是给密钥串,而是一个CA证书或PFX密钥文件。HTTS网站就是使用非对称加密的,网站会把CA证书挂在上面让浏览器下载,和服务器进行加解密交互。

从CA证书中读取公钥

// keyFilePath是证书文件try(InputStream fin = new FileInputStream(keyFilePath)) {    CertificateFactory f = CertificateFactory.getInstance("X.509");    X509Certificate certificate = (X509Certificate) f.generateCertificate(fin);    PublicKey pubKey = certificate.getPublicKey();}catch(IOException | CertificateException e) {    e.printStackTrace();}

从PFX文件中读取密钥

根据密钥存储类型,下面方可以读取pfx或jks类型的密钥文件。

try(InputStream is =newFileInputStream(keyFilePath)) {    // pkcs12或jksKeyStore store = KeyStore.getInstance("pkcs12");// 密码store.load(is,"密码".toCharArray());// 获取所有密钥别名列表Enumeration e = store.aliases();// 如果有,读取第一个密钥if(e.hasMoreElements()) {Stringalias = e.nextElement();// 私钥PrivateKey prvKey = (PrivateKey) store.getKey(alias, password.toCharArray());// 公钥PublicKey pubKey = store.getCertificate(alias).getPublicKey();// 创建密钥对KeyPair keyPare =newKeyPair(pubKey, prvKey);    }}catch(IOException | KeyStoreException | CertificateException | NoSuchAlgorithmException | UnrecoverableKeyException e) {    e.printStackTrace();}

密钥文件是用来存储密钥的仓库。Java中KeyTool工具可以创建jks密钥文件。jks密钥文件中可以存储多个密钥。如果有多个密钥文件,可以根据别名来读取指定密钥。

加密扩展包——JCE

使用JDK8,读取PFX密钥也许会遇到:java.security.InvalidKeyException:illegal Key Size

这是因为jdk sercurity的jar包限制,只支持128bit的密钥。jar包如下:

$JAVA_HOME/lib/security/local_policy.jar

$JAVA_HOME/jre/lib/security/US_export_policy.jar

到Oracle官网下载JDK对应的加密扩展包(JCE)。以下是JDK8的JCE

https://www.oracle.com/java/technologies/javase-jce8-downloads.html

把下载后的文件解压,找到 local_policy.jar 和 US_export_policy.jar

覆盖jdk目录下, $JAVA_HOME/jre/lib/security 和 $JAVA_HOME/lib/security 下的文件。(有的版本JDK可能没有 $JAVA_HOME/lib/security 目录,则忽略)

再运行代码,就能正常读取256bit的密钥。

加密&解密

用上面生成的密钥(对称/非对密)加密或解密

// 密文Stringciphertext =null;{Stringplaintext ="加密内容";// 密钥算法,RSA/DAS/AESDESedCipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");// 设置加密模式cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, prvKey);// 加密后的byte数组byte[] cipherbyte = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());// 转成base64ciphertext = Base64.getEncoder().encodeToString(cipherbyte);    logger.info(ciphertext);}{    // 密钥算法,RSA/DAS/AESDESedCipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");// 设置解密模式cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, pubKey);// base64解码获得密文byte数组byte[] cipherbyte = Base64.getDecoder().decode(ciphertext);// 解密后的byte数组byte[] plainbyte = cipher.doFinal(cipherbyte);// byte数组转字符串Stringplaintext =newString(plainbyte);    logger.info(plaintext);}

签名算法

保证数据安全,仅靠加密还不够。如果密钥被泄漏,攻击者可以伪靠数据,使用密钥加密后给服务器发送信息。所以还需要对数据签名,为安全增加一道屏障。常用的签名算法有:MD5,SHA。非对称加密的公/私钥也可以对数据签名。

MD5或SHA签名

// 可传入MD5或SHA算法MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");// 对str数据签名byte[] bSign = md.digest(str.getBytes());// 转成十六进制签名串StringsignStr = Hex.byteCoverToString(bSign);

公/私密钥签名

/** * 签名 * @param key * @param algorithm * @paramdata* @return */publicstatic byte[] sign(PrivateKeykey,Stringalgorithm, byte[]data) {try{Signaturesignature=Signature.getInstance(algorithm);signature.initSign(key);signature.update(data);returnsignature.sign();    } catch (NoSuchAlgorithmException|SignatureException|InvalidKeyExceptione) {thrownewCommonException(e);    }}/** * 验签 * @param key * @param algorithm * @param sign * @paramdata* @return */publicstatic boolean verify(PublicKeykey,Stringalgorithm, byte[] sign, byte[]data) {try{Signaturesignature=Signature.getInstance(algorithm);signature.initVerify(key);signature.update(data);returnsignature.verify(sign);    } catch (NoSuchAlgorithmException|SignatureException|InvalidKeyExceptione) {thrownewCommonException(e);    }}

设计规范示例

示例一

第一次接触Java加密是12年做银联直连支付插件,后台加密规范是银联出的,对称加密与非对称加密都用上了。如下:

协议版本|加密密钥|报文密文|报文签名

协议版本号一般是固定的,如:1.0。

加密密钥是动态生成的对称密钥,每一次请求都会生成,用来加密报文。加密密钥用自己的私钥加密,Base64编码。

报文密文是用动态生成的加密密钥加密后Base64编码。

报文签名是按约将报文明文参数排序,进行MD5计算。

示例二

因工作需内容,接入过几十加支付系统,他们的加触密都大同小异。示例一中银联的那套加密方案后面看到的不多。很多公司用的对称密钥+签名。

报文(key1=value1&k2=value2&sign=value)

先对报文进行规则排序(一般是key的ascii码升序或降序),再用事先约定好的对密密钥(十六进制字符串)拼接在后面,进行MD5计算。

也有的是使用RSA密钥签名验签。

跨语言加解密

Java原生API中加密算法提供者是SUN或Oracle。使用同相的Java代码,用Android加密,后台解密是不通过的。在Android上,算法要用 RSA/ECB/PKCS1Padding ,才能对应Oracle JDK的RSA。主要是因为非对称加密的默认填充方式不一样。

同样,用PHP或.NET语言和Java交互,也会出现不能解密的情况。所以有些系统设计上,只用了签名和对称加密,配合https在传输上保证内容加密。虽然方便,但没实际解决问题。

做Java后台同学可能注意到,引入第三方提供的加解密SDK时,有些会依赖 org.bouncycastle 的包。

这是一个开源项目:Bouncy Castle,支持Java和C#语言。

官网: www.bouncycastle.org

Git: github.com/bcgit/bc-java

BC包需下载对应JDK版本,不同版本的BC包可能会冲突,甚至无法启动工程。

可以使用 Security.addProvider() 手动添加加密提供者。

密钥管理

JDK中有一个 keytool 的工具。可以用来创建密钥库,管理密钥和证书。

keytool创建的密钥库keystore是jks类型的,读取jks密钥库在前面已给出说明了。在tomcat中配置https时是可以直接使用keystore密钥库。nginx或apache使用的还是pfx或pem格式(pem一般只存私钥)。

当我们用Java的Connection连接https有可能会遇到证书错误,是因为证书受信任,或不是受信任的机构颁发的。JDK有一个密钥库用来存放受信任证书。

$JAVA_HOME/jre/lib/security/cacerts

我们可以用keytool管理cacerts,默认密码:changeit

使用keytool在cacerts中添加相应证书,再用Connection访问https就不会报错了。

不建议在cacerts中添加证书,会导至程序可移植性差。在阿里云或Let’s Encrypt可以申请免费证书。

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