浅析java消息摘要与数字签名
消息摘要
算法简述
定义
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加密函数对消息进行作用而产生。如果消息在途中改变了,则接收者通过对收到消息的新产生的摘要与原摘要比较,就可知道消息是否被改变了。因此消息摘要保证了消息的完整性。消息摘要采用单向Hash 函数将需加密的明文"摘要"成一串密文,这一串密文亦称为数字指纹(Finger Print)。它有固定的长度,且不同的明文摘要成密文,其结果总是不同的,而同样的明文其摘要必定一致。这样这串摘要便可成为验证明文是否是"真身"的"指纹"了。
特点
消息摘要具有以下特点:
(1)唯一性:数据只要有一点改变,那么再通过消息摘要算法得到的摘要也会发生变化。虽然理论上有可能会发生碰撞,但是概率极其低。
(2)不可逆:消息摘要算法的密文无法被解密。
(3)不需要密钥,可使用于分布式网络。
(4)无论输入的明文有多长,计算出来的消息摘要的长度总是固定的。
原理
消息摘要,其实就是将需要摘要的数据作为参数,经过哈希函数(Hash)的计算,得到的散列值。
常用算法
消息摘要算法包括MD(Message Digest,消息摘要算法)、SHA(Secure Hash Algorithm,安全散列算法)、MAC(Message AuthenticationCode,消息认证码算法)共3大系列,常用于验证数据的完整性,是数字签名算法的核心算法。
MD5和SHA1分别是MD、SHA算法系列中最有代表性的算法。
如今,MD5已被发现有许多漏洞,从而不再安全。SHA算法比MD算法的摘要长度更长,也更加安全。
算法实现
MD5、SHA的范例
JDK中使用MD5和SHA这两种消息摘要的方式基本一致,步骤如下:
(1)初始化MessageDigest对象
(2)更新要计算的内容
(3)生成摘要
importjava.io.UnsupportedEncodingException; import java.security.MessageDigest; import java.security.NoSuchAlgorithmException; import org.apache.commons.codec.binary.Base64; public class MsgDigestDemo{ public static void main(String args[]) throws NoSuchAlgorithmException, UnsupportedEncodingException { String msg = "Hello World!"; MessageDigest md5Digest = MessageDigest.getInstance("MD5"); // 更新要计算的内容 md5Digest.update(msg.getBytes()); // 完成哈希计算,得到摘要 byte[] md5Encoded = md5Digest.digest(); MessageDigest shaDigest = MessageDigest.getInstance("SHA"); // 更新要计算的内容 shaDigest.update(msg.getBytes()); // 完成哈希计算,得到摘要 byte[] shaEncoded = shaDigest.digest(); System.out.println("原文: " + msg); System.out.println("MD5摘要: " + Base64.encodeBase64URLSafeString(md5Encoded)); System.out.println("SHA摘要: " + Base64.encodeBase64URLSafeString(shaEncoded)); } }
结果:
原文:Hello World!
MD5摘要: 7Qdih1MuhjZehB6Sv8UNjA
SHA摘要:Lve95gjOVATpfV8EL5X4nxwjKHE
HMAC的范例
importjavax.crypto.Mac; import javax.crypto.spec.SecretKeySpec; import org.apache.commons.codec.binary.Base64; public class HmacCoder{ /** * JDK支持HmacMD5, HmacSHA1,HmacSHA256, HmacSHA384, HmacSHA512 */ public enum HmacTypeEn { HmacMD5, HmacSHA1, HmacSHA256, HmacSHA384, HmacSHA512; } public static byte[] encode(byte[] plaintext, byte[] secretKey, HmacTypeEn type) throwsException { SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(secretKey, type.name()); Mac mac = Mac.getInstance(keySpec.getAlgorithm()); mac.init(keySpec); return mac.doFinal(plaintext); } public static void main(String[] args) throws Exception { String msg = "Hello World!"; byte[] secretKey = "Secret_Key".getBytes("UTF8"); byte[] digest = HmacCoder.encode(msg.getBytes(), secretKey, HmacTypeEn.HmacSHA256); System.out.println("原文: " + msg); System.out.println("摘要: " + Base64.encodeBase64URLSafeString(digest)); } }
结果:
原文:Hello World!
摘要: b8-eUifaOJ5OUFweOoq08HbGAMsIpC3Nt-Yv-S91Yr4
数字签名
算法简述
数字签名算法可以看做是一种带有密钥的消息摘要算法,并且这种密钥包含了公钥和私钥。也就是说,数字签名算法是非对称加密算法和消息摘要算法的结合体。
特点
数字签名算法要求能够验证数据完整性、认证数据来源,并起到抗否认的作用。
原理
数字签名算法包含签名和验证两项操作,遵循私钥签名,公钥验证的方式。
签名时要使用私钥和待签名数据,验证时则需要公钥、签名值和待签名数据,其核心算法主要是消息摘要算法。
常用算法
RSA、DSA、ECDSA
算法实现
DSA的范例
数字签名有两个流程:签名和验证。
它们的前提都是要有一个公钥、密钥对。
签名
用私钥为消息计算签名
验证
用公钥验证摘要
importjava.security.KeyFactory; import java.security.KeyPair; import java.security.KeyPairGenerator; import java.security.PrivateKey; import java.security.PublicKey; import java.security.Signature; import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec; import java.security.spec.X509EncodedKeySpec; import org.apache.commons.codec.binary.Base64; public class DsaCoder{ public static final String KEY_ALGORITHM = "DSA"; public enum DsaTypeEn { MD5withDSA, SHA1withDSA } /** * DSA密钥长度默认1024位。 密钥长度必须是64的整数倍,范围在512~1024之间 */ private static final int KEY_SIZE = 1024; private KeyPair keyPair; public DsaCoder() throws Exception { keyPair = initKey(); } public byte[] signature(byte[] data, byte[] privateKey) throws Exception { PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey); KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM); PrivateKey key =keyFactory.generatePrivate(keySpec); Signature signature = Signature.getInstance(DsaTypeEn.SHA1withDSA.name()); signature.initSign(key); signature.update(data); return signature.sign(); } public boolean verify(byte[] data, byte[] publicKey, byte[] sign) throws Exception { X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey); KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM); PublicKey key =keyFactory.generatePublic(keySpec); Signature signature = Signature.getInstance(DsaTypeEn.SHA1withDSA.name()); signature.initVerify(key); signature.update(data); return signature.verify(sign); } private KeyPair initKey() throws Exception { // 初始化密钥对生成器 KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM); // 实例化密钥对生成器 keyPairGen.initialize(KEY_SIZE); // 实例化密钥对 return keyPairGen.genKeyPair(); } public byte[] getPublicKey() { return keyPair.getPublic().getEncoded(); } public byte[] getPrivateKey() { return keyPair.getPrivate().getEncoded(); } public static void main(String[] args) throws Exception { String msg = "Hello World"; DsaCoder dsa = new DsaCoder(); byte[] sign = dsa.signature(msg.getBytes(), dsa.getPrivateKey()); boolean flag = dsa.verify(msg.getBytes(), dsa.getPublicKey(), sign); String result = flag ? "数字签名匹配" : "数字签名不匹配"; System.out.println("数字签名:" + Base64.encodeBase64URLSafeString(sign)); System.out.println("验证结果:" + result); } }
参考
《Core Java Volume2》
《Java加密与解密技术》