Java加密和數字簽名編程

2024-09-05 00:21:36

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供稿：網友

　　本文主要談一下密碼學中的加密和數字簽名，以及其在java中如何進行使用。對密碼學有興趣的伙伴，推薦看Bruce Schneier的著作：Applied Crypotography。在jdk1.5的發行版本中安全性方面有了很大的改進，也提供了對RSA算法的直接支持，現在我們從實例入手解決問題（本文僅是作為簡單介紹）：

　　一、密碼學上常用的概念　

　　1）消息摘要：

　　這是一種與消息認證碼結合使用以確保消息完整性的技術。主要使用單向散列函數算法，可用于檢驗消息的完整性，和通過散列密碼直接以文本形式保存等，目前廣泛使用的算法有MD4、MD5、SHA-1，jdk1.5對上面都提供了支持，在java中進行消息摘要很簡單， java.security.MessageDigest提供了一個簡易的操作方法：

　　/**
　　*MessageDigestExample.java
　　*Copyright 2005-2-16
　　*/
　　import java.security.MessageDigest;
　　/**
　　*單一的消息摘要算法，不使用密碼.可以用來對明文消息（如：密碼）隱藏保存
　　*/
　　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")來獲得消息摘要,這里使用SHA-1的160位算法
　　MessageDigest messageDigest=MessageDigest.getInstance("SHA-1");

　　System.out.println(" "+messageDigest.getProvider().getInfo());
　　//開始使用算法
　　messageDigest.update(plainText);
　　System.out.println(" Digest:");
　　//輸出算法運算結果
　　System.out.println(new String(messageDigest.digest(),"UTF8"));
　　}
　　}

　　還可以通過消息認證碼來進行加密實現，javax.crypto.Mac提供了一個解決方案，有興趣者可以參考相關API文檔，本文只是簡單介紹什么是摘要算法。

　　2）私鑰加密：

　　消息摘要只能檢查消息的完整性，但是單向的，對明文消息并不能加密，要加密明文的消息的話，就要使用其他的算法，要確保機密性，我們需要使用私鑰密碼術來交換私有消息。

　　這種最好理解，使用對稱算法。比如：A用一個密鑰對一個文件加密，而B讀取這個文件的話，則需要和A一樣的密鑰，雙方共享一個私鑰（而在web環境下，私鑰在傳遞時容易被偵聽）：

　　使用私鑰加密的話，首先需要一個密鑰，可用javax.crypto.KeyGenerator產生一個密鑰(java.security.Key),然后傳遞給一個加密工具(javax.crypto.Cipher),該工具再使用相應的算法來進行加密，主要對稱算法有：DES（實際密鑰只用到56位），AES（支持三種密鑰長度：128、192、256位），通常首先128位，其他的還有DESede等，jdk1.5種也提供了對對稱算法的支持，以下例子使用AES算法來加密：

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

　　/**
　　*私鈅加密，保證消息機密性
　　*/
　　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");

　　//通過KeyGenerator形成一個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");

　　//獲得一個私鈅加密類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）公鑰加密：

　　上面提到，私鑰加密需要一個共享的密鑰，那么如何傳遞密鑰呢？web環境下，直接傳遞的話很容易被偵聽到，幸好有了公鑰加密的出現。公鑰加密也叫不對稱加密，不對稱算法使用一對密鑰對，一個公鑰，一個私鑰，使用公鑰加密的數據，只有私鑰能解開（可用于加密）；同時，使用私鑰加密的數據，只有公鑰能解開（簽名）。但是速度很慢（比私鑰加密慢100到1000倍），公鑰的主要算法有RSA，還包括Blowfish,Diffie-Helman等，jdk1.5種提供了對RSA的支持，是一個改進的地方：

　　/**
　　*PublicExample.java
　　*Copyright 2005-2-16
　　*/
　　import java.security.Key;
　　import javax.crypto.Cipher;
　　import java.security.KeyPairGenerator;
　　import java.security.KeyPair;
　　/**
　　*一個簡單的公鈅加密例子,Cipher類使用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");
　　//構成一個RSA密鑰
　　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");

　　//獲得一個RSA的Cipher類，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）數字簽名：

　　數字簽名，它是確定交換消息的通信方身份的第一個級別。上面A通過使用公鑰加密數據后發給B，B利用私鑰解密就得到了需要的數據，問題來了，由于都是使用公鑰加密，那么如何檢驗是A發過來的消息呢？上面也提到了一點，私鑰是唯一的，那么A就可以利用A自己的私鑰進行加密，然后B再利用A的公鑰來解密，就可以了；數字簽名的原理就基于此，而通常為了證明發送數據的真實性，通過利用消息摘要獲得簡短的消息內容，然后再利用私鑰進行加密散列數據和消息一起發送。java中為數字簽名提供了良好的支持，java.security.Signature類提供了消息簽名：

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

　　/**
　　*數字簽名，使用RSA私鑰對對消息摘要簽名，然后使用公鈅驗證測試
　　*/
　　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公鑰對
　　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");
　　//使用私鈅簽名
　　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"));

　　//使用公鈅驗證
　　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)數字證書。

　　還有個問題，就是公鑰問題，A用私鑰加密了，那么B接受到消息后，用A提供的公鑰解密；那么現在有個討厭的C，他把消息攔截了，然后用自己的私鑰加密，同時把自己的公鑰發給B，并告訴B，那是A的公鑰，結果....，這時候就需要一個中間機構出來說話了（相信權威，我是正確的），就出現了Certificate Authority(也即CA），有名的CA機構有Verisign等，目前數字認證的工業標準是：CCITT的X.509：
　　數字證書：它將一個身份標識連同公鑰一起進行封裝，并由稱為認證中心或 CA 的第三方進行數字簽名。

　　密鑰庫：java平臺為你提供了密鑰庫，用作密鑰和證書的資源庫。從物理上講，密鑰庫是缺省名稱為 .keystore 的文件（有一個選項使它成為加密文件）。密鑰和證書可以擁有名稱（稱為別名），每個別名都由唯一的密碼保護。密鑰庫本身也受密碼保護；您可以選擇讓每個別名密碼與主密鑰庫密碼匹配。

　　使用工具keytool，我們來做一件自我認證的事情吧（相信我的認證）：

　　1、創建密鑰庫keytool -genkey -v -alias feiUserKey -keyalg RSA 默認在自己的home目錄下（windows系統是c:documents and settings<你的用戶名> 目錄下的.keystore文件），創建我們用 RSA 算法生成別名為 feiUserKey 的自簽名的證書,如果使用了-keystore mm 就在當前目錄下創建一個密鑰庫mm文件來保存密鑰和證書。

　　2、查看證書：keytool -list 列舉了密鑰庫的所有的證書

　　也可以在dos下輸入keytool -help查看幫助。

　　 4）數字簽名：

　　數字簽名，它是確定交換消息的通信方身份的第一個級別。上面A通過使用公鑰加密數據后發給B，B利用私鑰解密就得到了需要的數據，問題來了，由于都是使用公鑰加密，那么如何檢驗是A發過來的消息呢？上面也提到了一點，私鑰是唯一的，那么A就可以利用A自己的私鑰進行加密，然后B再利用A的公鑰來解密，就可以了；數字簽名的原理就基于此，而通常為了證明發送數據的真實性，通過利用消息摘要獲得簡短的消息內容，然后再利用私鑰進行加密散列數據和消息一起發送。java中為數字簽名提供了良好的支持，java.security.Signature類提供了消息簽名：

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

　　/**
　　*數字簽名，使用RSA私鑰對對消息摘要簽名，然后使用公鈅驗證測試
　　*/
　　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公鑰對
　　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");
　　//使用私鈅簽名
　　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"));

　　//使用公鈅驗證
　　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)數字證書。

　　還有個問題，就是公鑰問題，A用私鑰加密了，那么B接受到消息后，用A提供的公鑰解密；那么現在有個討厭的C，他把消息攔截了，然后用自己的私鑰加密，同時把自己的公鑰發給B，并告訴B，那是A的公鑰，結果....，這時候就需要一個中間機構出來說話了（相信權威，我是正確的），就出現了Certificate Authority(也即CA），有名的CA機構有Verisign等，目前數字認證的工業標準是：CCITT的X.509：
　　數字證書：它將一個身份標識連同公鑰一起進行封裝，并由稱為認證中心或 CA 的第三方進行數字簽名。

　　密鑰庫：java平臺為你提供了密鑰庫，用作密鑰和證書的資源庫。從物理上講，密鑰庫是缺省名稱為 .keystore 的文件（有一個選項使它成為加密文件）。密鑰和證書可以擁有名稱（稱為別名），每個別名都由唯一的密碼保護。密鑰庫本身也受密碼保護；您可以選擇讓每個別名密碼與主密鑰庫密碼匹配。

　　使用工具keytool，我們來做一件自我認證的事情吧（相信我的認證）：

　　1、創建密鑰庫keytool -genkey -v -alias feiUserKey -keyalg RSA 默認在自己的home目錄下（windows系統是c:documents and settings<你的用戶名> 目錄下的.keystore文件），創建我們用 RSA 算法生成別名為 feiUserKey 的自簽名的證書,如果使用了-keystore mm 就在當前目錄下創建一個密鑰庫mm文件來保存密鑰和證書。

　　2、查看證書：keytool -list 列舉了密鑰庫的所有的證書

　　也可以在dos下輸入keytool -help查看幫助。