Java加密和数字签名编程

编程学习 2021-07-05 11:23www.dzhlxh.cn编程入门

  本文主要谈一下密码学中的加密和数字签名,以及其在java中如何进行使用。对密码学有兴趣的伙伴,推荐看Bruce Schneier的著作:Applied Crypotography。在jdk1.5的发行版本中安全性方面有了很大的改进,也提供了对RSA算法的直接支持,现在我们从实例入手解决问题(本文仅是作为简单介绍):

  一、密码学上常用的概念 

  1)消息摘要:

  这是一种与消息认证码结合使用以确保消息完整性的技术。主要使用单向散列函数算法,可用于检验消息的完整性,和通过散列密码直接以文本形式保存等,目前广泛使用的算法有MD4、MD5、SHA-1,jdk1.5对上面都提供了支持,在java中进行消息摘要很简单, java.security.MessageDigest提供了一个简易的操作方法:

  /**
  *MessageDigestExample.java
  *Copyright 2005-2-16
  */
  import java.security.MessageDigest;
  /**
  *单一的消息摘要算法,不使用密码.可以用来对明文消息(如:密码)隐藏保存
  */
  public class MessageDigestExample{
  public static void main(String[] args) throws Exception{
  if(args.length!=1){
   System.err.println("Usage:java MessageDigestExample text");
   System.exit(1);
  }

  byte[] plainText=args[0].getBytes("UTF8");

  //使用getInstance("算法")来获得消息摘要,这里使用SHA-1的160位算法
  MessageDigest messageDigest=MessageDigest.getInstance("SHA-1");

  System.out.println(" "+messageDigest.getProvider().getInfo());
  //开始使用算法
  messageDigest.update(plainText);
  System.out.println(" Digest:");
  //输出算法运算结果
  System.out.println(new String(messageDigest.digest(),"UTF8"));
  }
  }

  还可以通过消息认证码来进行加密实现,javax.crypto.Mac提供了一个解决方案,有兴趣者可以参考相关API文档,本文只是简单介绍什么是摘要算法。

  2)私钥加密:

  消息摘要只能检查消息的完整性,但是单向的,对明文消息并不能加密,要加密明文的消息的话,就要使用其他的算法,要确保机密性,我们需要使用私钥密码术来交换私有消息。

  这种最好理解,使用对称算法。比如:A用一个密钥对一个文件加密,而B读取这个文件的话,则需要和A一样的密钥,双方共享一个私钥(而在web环境下,私钥在传递时容易被侦听):

  使用私钥加密的话,首先需要一个密钥,可用javax.crypto.KeyGenerator产生一个密钥(java.security.Key),然后传递给一个加密工具(javax.crypto.Cipher),该工具再使用相应的算法来进行加密,主要对称算法有:DES(实际密钥只用到56位),AES(支持三种密钥长度:128、192、256位),通常首先128位,其他的还有DESede等,jdk1.5种也提供了对对称算法的支持,以下例子使用AES算法来加密:

  /**
  *PrivateExmaple.java
  *Copyright 2005-2-16
  */
  import javax.crypto.Cipher;
  import javax.crypto.KeyGenerator;
  import java.security.Key;

  /**
  *私鈅加密,保证消息机密性
  */
  public class PrivateExample{
  public static void main(String[] args) throws Exception{
  if(args.length!=1){
   System.err.println("Usage:java PrivateExample ");
   System.exit(1);
  }
  byte[] plainText=args[0].getBytes("UTF8");

  //通过KeyGenerator形成一个key
  System.out.println(" Start generate AES key");
  KeyGenerator keyGen=KeyGenerator.getInstance("AES");
  keyGen.init(128);
  Key key=keyGen.generateKey();
  System.out.println("Finish generating DES key");

  //获得一个私鈅加密类Cipher,ECB是加密方式,PKCS5Padding是填充方法
  Cipher cipher=Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
  System.out.println(" "+cipher.getProvider().getInfo());

  //使用私鈅加密
  System.out.println(" Start encryption:");
  cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key);
  byte[] cipherText=cipher.doFinal(plainText);
  System.out.println("Finish encryption:");
  System.out.println(new String(cipherText,"UTF8"));

  System.out.println(" Start decryption:");
  cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,key);
  byte[] newPlainText=cipher.doFinal(cipherText);
  System.out.println("Finish decryption:");

  System.out.println(new String(newPlainText,"UTF8"));

  }
  }

  3)公钥加密:

  上面提到,私钥加密需要一个共享的密钥,那么如何传递密钥呢?web环境下,直接传递的话很容易被侦听到,幸好有了公钥加密的出现。公钥加密也叫不对称加密,不对称算法使用一对密钥对,一个公钥,一个私钥,使用公钥加密的数据,只有私钥能解开(可用于加密);同时,使用私钥加密的数据,只有公钥能解开(签名)。但是速度很慢(比私钥加密慢100到1000倍),公钥的主要算法有RSA,还包括Blowfish,Diffie-Helman等,jdk1.5种提供了对RSA的支持,是一个改进的地方:

  /**
  *PublicExample.java
  *Copyright 2005-2-16
  */
  import java.security.Key;
  import javax.crypto.Cipher;
  import java.security.KeyPairGenerator;
  import java.security.KeyPair;
  /**
  *一个简单的公鈅加密例子,Cipher类使用KeyPairGenerator生成的公鈅和私鈅
  */
  public class PublicExample{
  public static void main(String[] args) throws Exception{
  if(args.length!=1){
   System.err.println("Usage:java PublicExample ");
   System.exit(1);
  }

  byte[] plainText=args[0].getBytes("UTF8");
  //构成一个RSA密钥
  System.out.println(" Start generating RSA key");
  KeyPairGenerator keyGen=KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
  keyGen.initialize(1024);
  KeyPair key=keyGen.generateKeyPair();
  System.out.println("Finish generating RSA key");

  //获得一个RSA的Cipher类,使用公鈅加密
  Cipher cipher=Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
  System.out.println(" "+cipher.getProvider().getInfo());

  System.out.println(" Start encryption");
  cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key.getPublic());
  byte[] cipherText=cipher.doFinal(plainText);
  System.out.println("Finish encryption:");
  System.out.println(new String(cipherText,"UTF8"));

  //使用私鈅解密
  System.out.println(" Start decryption");
  cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,key.getPrivate());
  byte[] newPlainText=cipher.doFinal(cipherText);
  System.out.println("Finish decryption:");
  System.out.println(new String(newPlainText,"UTF8"));
  }
  }

  4)数字签名:

  数字签名,它是确定交换消息的通信方身份的第一个级别。上面A通过使用公钥加密数据后发给B,B利用私钥解密就得到了需要的数据,问题来了,由于都是使用公钥加密,那么如何检验是A发过来的消息呢?上面也提到了一点,私钥是唯一的,那么A就可以利用A自己的私钥进行加密,然后B再利用A的公钥来解密,就可以了;数字签名的原理就基于此,而通常为了证明发送数据的真实性,通过利用消息摘要获得简短的消息内容,然后再利用私钥进行加密散列数据和消息一起发送。java中为数字签名提供了良好的支持,java.security.Signature类提供了消息签名:

  /**
  *DigitalSignature2Example.java
  *Copyright 2005-2-16
  */
  import java.security.Signature;
  import java.security.KeyPairGenerator;
  import java.security.KeyPair;
  import java.security.SignatureException;

  /**
  *数字签名,使用RSA私钥对对消息摘要签名,然后使用公鈅验证 测试
  */
  public class DigitalSignature2Example{
  public static void main(String[] args) throws Exception{
  if(args.length!=1){
   System.err.println("Usage:java DigitalSignature2Example ");
   System.exit(1);
  }

  byte[] plainText=args[0].getBytes("UTF8");
  //形成RSA公钥对
  System.out.println(" Start generating RSA key");
  KeyPairGenerator keyGen=KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
  keyGen.initialize(1024);

  KeyPair key=keyGen.generateKeyPair();
  System.out.println("Finish generating RSA key");
  //使用私鈅签名
  Signature sig=Signature.getInstance("SHA1WithRSA");
  sig.initSign(key.getPrivate());
  sig.update(plainText);
  byte[] signature=sig.sign();
  System.out.println(sig.getProvider().getInfo());
  System.out.println(" Signature:");
  System.out.println(new String(signature,"UTF8"));

  //使用公鈅验证
  System.out.println(" Start signature verification");
  sig.initVerify(key.getPublic());
  sig.update(plainText);
  try{
   if(sig.verify(signature)){
    System.out.println("Signature verified");
   }else System.out.println("Signature failed");
   }catch(SignatureException e){
    System.out.println("Signature failed");
   }
  }
  }


  5)数字证书。

  还有个问题,就是公钥问题,A用私钥加密了,那么B接受到消息后,用A提供的公钥解密;那么现在有个讨厌的C,他把消息拦截了,然后用自己的私钥加密,同时把自己的公钥发给B,并告诉B,那是A的公钥,结果....,这时候就需要一个中间机构出来说话了(相信权威,我是正确的),就出现了Certificate Authority(也即CA),有名的CA机构有Verisign等,目前数字认证的工业标准是:CCITT的X.509:
  数字证书:它将一个身份标识连同公钥一起进行封装,并由称为认证中心或 CA 的第三方进行数字签名。

  密钥库:java平台为你提供了密钥库,用作密钥和证书的资源库。从物理上讲,密钥库是缺省名称为 .keystore 的文件(有一个选项使它成为加密文件)。密钥和证书可以拥有名称(称为别名),每个别名都由唯一的密码保护。密钥库本身也受密码保护;您可以选择让每个别名密码与主密钥库密码匹配。

  使用工具keytool,我们来做一件自我认证的事情吧(相信我的认证):

  1、创建密钥库keytool -genkey -v -alias feiUserKey -keyalg RSA 默认在自己的home目录下(windows系统是c:documents and settings<你的用户名> 目录下的.keystore文件),创建我们用 RSA 算法生成别名为 feiUserKey 的自签名的证书,如果使用了-keystore mm 就在当前目录下创建一个密钥库mm文件来保存密钥和证书。

  2、查看证书:keytool -list 列举了密钥库的所有的证书

  也可以在dos下输入keytool -help查看帮助。

   4)数字签名:

  数字签名,它是确定交换消息的通信方身份的第一个级别。上面A通过使用公钥加密数据后发给B,B利用私钥解密就得到了需要的数据,问题来了,由于都是使用公钥加密,那么如何检验是A发过来的消息呢?上面也提到了一点,私钥是唯一的,那么A就可以利用A自己的私钥进行加密,然后B再利用A的公钥来解密,就可以了;数字签名的原理就基于此,而通常为了证明发送数据的真实性,通过利用消息摘要获得简短的消息内容,然后再利用私钥进行加密散列数据和消息一起发送。java中为数字签名提供了良好的支持,java.security.Signature类提供了消息签名:

  /**
  *DigitalSignature2Example.java
  *Copyright 2005-2-16
  */
  import java.security.Signature;
  import java.security.KeyPairGenerator;
  import java.security.KeyPair;
  import java.security.SignatureException;

  /**
  *数字签名,使用RSA私钥对对消息摘要签名,然后使用公鈅验证 测试
  */
  public class DigitalSignature2Example{
  public static void main(String[] args) throws Exception{
  if(args.length!=1){
   System.err.println("Usage:java DigitalSignature2Example ");
   System.exit(1);
  }

  byte[] plainText=args[0].getBytes("UTF8");
  //形成RSA公钥对
  System.out.println(" Start generating RSA key");
  KeyPairGenerator keyGen=KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
  keyGen.initialize(1024);

  KeyPair key=keyGen.generateKeyPair();
  System.out.println("Finish generating RSA key");
  //使用私鈅签名
  Signature sig=Signature.getInstance("SHA1WithRSA");
  sig.initSign(key.getPrivate());
  sig.update(plainText);
  byte[] signature=sig.sign();
  System.out.println(sig.getProvider().getInfo());
  System.out.println(" Signature:");
  System.out.println(new String(signature,"UTF8"));

  //使用公鈅验证
  System.out.println(" Start signature verification");
  sig.initVerify(key.getPublic());
  sig.update(plainText);
  try{
   if(sig.verify(signature)){
    System.out.println("Signature verified");
   }else System.out.println("Signature failed");
   }catch(SignatureException e){
    System.out.println("Signature failed");
   }
  }
  }

  5)数字证书。

  还有个问题,就是公钥问题,A用私钥加密了,那么B接受到消息后,用A提供的公钥解密;那么现在有个讨厌的C,他把消息拦截了,然后用自己的私钥加密,同时把自己的公钥发给B,并告诉B,那是A的公钥,结果....,这时候就需要一个中间机构出来说话了(相信权威,我是正确的),就出现了Certificate Authority(也即CA),有名的CA机构有Verisign等,目前数字认证的工业标准是:CCITT的X.509:
  数字证书:它将一个身份标识连同公钥一起进行封装,并由称为认证中心或 CA 的第三方进行数字签名。

  密钥库:java平台为你提供了密钥库,用作密钥和证书的资源库。从物理上讲,密钥库是缺省名称为 .keystore 的文件(有一个选项使它成为加密文件)。密钥和证书可以拥有名称(称为别名),每个别名都由唯一的密码保护。密钥库本身也受密码保护;您可以选择让每个别名密码与主密钥库密码匹配。

  使用工具keytool,我们来做一件自我认证的事情吧(相信我的认证):

  1、创建密钥库keytool -genkey -v -alias feiUserKey -keyalg RSA 默认在自己的home目录下(windows系统是c:documents and settings<你的用户名> 目录下的.keystore文件),创建我们用 RSA 算法生成别名为 feiUserKey 的自签名的证书,如果使用了-keystore mm 就在当前目录下创建一个密钥库mm文件来保存密钥和证书。

  2、查看证书:keytool -list 列举了密钥库的所有的证书

  也可以在dos下输入keytool -help查看帮助。

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