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
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。

// bkey是byte数组
DESedeKeySpec keySpec = new DESedeKeySpec(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
String prvKeyStr = Base64.getEncoder().encodeToString(prvKey.getEncoded());
// 公钥串
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
// 从二进制中读取私钥
byte[] bPrvKey = Base64.getDecoder().decode(prvKeyStr);
PKCS8EncodedKeySpec rsaKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(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 = 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
// 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 = new FileInputStream(keyFilePath)) {
    // pkcs12或jks
    KeyStore store = KeyStore.getInstance("pkcs12");
    // 密码
    store.load(is, "密码".toCharArray());
    // 获取所有密钥别名列表
    Enumeration<String> e = store.aliases();
    // 如果有,读取第一个密钥
    if (e.hasMoreElements()) {
        String alias = 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 = 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

// 密文
String ciphertext = null;

{
    String plaintext = "加密内容";
    // 密钥算法,RSA/DAS/AESDESed
    Cipher 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base64
    ciphertext = Base64.getEncoder().encodeToString(cipherbyte);
    logger.info(ciphertext);
}

{
    // 密钥算法,RSA/DAS/AESDESed
    Cipher 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
    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
// 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
String signStr = Hex.byteCoverToString(bSign);
  • 公/私密钥签名
/**
 * 签名
 * @param key
 * @param algorithm
 * @param data
 * @return
 */
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);
    }
}

/**
 * 验签
 * @param key
 * @param algorithm
 * @param sign
 * @param data
 * @return
 */
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。


除非注明,否则均为”攻城狮·正“原创文章,请注明出处。

本文链接:https://engr-z.com/480.html


《“Java 加密解密和数字签名”》 有 1 条评论

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。