详解Java 加密解密和数字签名问题

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

<em>/**
 * 对称加密-3DES算法，取代旧的DES
 */</em>
SecretKey desKey = KeyGenerator.getInstance("DESede").generateKey();

生成AES密钥

<em>/**
* 生成AES算法的密钥
*/</em>
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();
<em>// 二进制密钥</em>
byte[] bkey = desKey.getEncoded();
<em>// 转成十六进制</em>
String keyStr = 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。

<em>// bkey是byte数组</em>
DESedeKeySpec keySpec = new DESedeKeySpec(bkey);
<em>// 读取AES密钥</em>
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

<em>/**
 * 可以传RSA或DSA算法
 */</em>
KeyPair keyPair = KeyPairGenerator.getInstance("RSA").generateKeyPair();
<em>// 私钥</em>
PrivateKey prvKey = keyPair.getPrivate();
<em>// 公钥</em>
PublicKey pubKey = keyPair.getPublic();

保存密钥

非对称密钥一般使用Base64编码保存。

<em>// 私钥串</em>
String prvKeyStr = Base64.getEncoder().encodeToString(prvKey.getEncoded());
<em>// 公钥串</em>
String pubKeyStr = 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

<em>// 从二进制中读取私钥</em>
byte[] bPrvKey = Base64.getDecoder().decode(prvKeyStr);
PKCS8EncodedKeySpec rsaKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(bPrvKey);
PrivateKey prvKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(rsaKeySpec);

<em>// 从二进制中读取公钥</em>
byte[] bPubKey = Base64.getDecoder().decode(pubKeyStr);
X509EncodedKeySpec rsaKeySpec1 = new X509EncodedKeySpec(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

<em>// keyFilePath是证书文件</em>
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 = new FileInputStream(keyFilePath)) {
    <em>// pkcs12或jks</em>
    KeyStore store = KeyStore.getInstance("pkcs12");
    <em>// 密码</em>
    store.load(is, "密码".toCharArray());
    <em>// 获取所有密钥别名列表</em>
    Enumeration<String> e = store.aliases();
    <em>// 如果有，读取第一个密钥</em>
    if (e.hasMoreElements()) {
        String alias = e.nextElement();
        <em>// 私钥</em>
        PrivateKey prvKey = (PrivateKey) store.getKey(alias, password.toCharArray());
        <em>// 公钥</em>
        PublicKey pubKey = store.getCertificate(alias).getPublicKey();
        <em>// 创建密钥对</em>
        KeyPair keyPare = new KeyPair(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

<em>// 密文</em>
String ciphertext = null;

{
    String plaintext = "加密内容";
    <em>// 密钥算法，RSA/DAS/AESDESed</em>
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
    <em>// 设置加密模式</em>
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, prvKey);
    <em>// 加密后的byte数组</em>
    byte[] cipherbyte = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());
    <em>// 转成base64</em>
    ciphertext = Base64.getEncoder().encodeToString(cipherbyte);
    logger.info(ciphertext);
}

{
    <em>// 密钥算法，RSA/DAS/AESDESed</em>
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
    <em>// 设置解密模式</em>
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, pubKey);
    <em>// base64解码获得密文byte数组</em>
    byte[] cipherbyte = Base64.getDecoder().decode(ciphertext);
    <em>// 解密后的byte数组</em>
    byte[] plainbyte = cipher.doFinal(cipherbyte);
    <em>// byte数组转字符串</em>
    String plaintext = new String(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

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

公/私密钥签名

<em>/**
 * 签名
 * @param key
 * @param algorithm
 * @param data
 * @return
 */</em>
public static byte[] sign(PrivateKey key, String algorithm, byte[] data) {

    try {

        Signature signature = Signature.getInstance(algorithm);
        signature.initSign(key);
        signature.update(data);
        return signature.sign();

    } catch (NoSuchAlgorithmException | SignatureException | InvalidKeyException e) {
        throw new CommonException(e);
    }
}

<em>/**
 * 验签
 * @param key
 * @param algorithm
 * @param sign
 * @param data
 * @return
 */</em>
public static boolean verify(PublicKey key, String algorithm, byte[] sign, byte[] data) {

    try {

        Signature signature = Signature.getInstance(algorithm);
        signature.initVerify(key);
        signature.update(data);
        return signature.verify(sign);

    } catch (NoSuchAlgorithmException | SignatureException | InvalidKeyException e) {
        throw new CommonException(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。

到此这篇关于 Java 加密解密和数字签名的文章就介绍到这了,更多相关 Java 加密解密和数字签名内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！