Java 加密解密和數字簽名
在做項目中，只要涉及敏感信息，或者對安全有一定要求的場景，都需要對數據進行加密。在Java中原生API即可實現對稱加密與非對稱加密，并支持常用的加密算法。
對稱加密
對稱加密使用單鑰完成加解密，加密和解密采用相同的密鑰。對稱加密的速度快，常用于大量數據進行加密。主流的算法有：AES，3DES。
生成3DES密鑰
- <em>/**
- * 對稱加密-3DES算法，取代舊的DES
- */</em>
- SecretKey desKey = KeyGenerator.getInstance("DESede").generateKey();
生成AES密鑰
- <em>/**
- * 生成AES算法的密鑰
- */</em>
- SecretKey aesKey = KeyGenerator.getInstance("AES").generateKey();
保存密鑰
對稱密鑰一般使用二進制保存
- SecretKey desKey = KeyGenerator.getInstance("DESede").generateKey();
- <em>// 二進制密鑰</em>
- byte[] bkey = desKey.getEncoded();
- <em>// 轉成十六進制</em>
- String keyStr = Hex.byteCoverToString(bkey);
讀取密鑰
可以自己生成隨機字符串轉成byte數組生成密鑰，注意byte長度不能小于24位。
- <em>// bkey是byte數組</em>
- DESedeKeySpec keySpec = new DESedeKeySpec(bkey);
- <em>// 讀取AES密鑰</em>
- SecretKey srtKey = SecretKeyFactory.getInstance("AES").generateSecret(keySpec);
Hex是我自己寫的工具類。byte數組和十六進制互轉的方法有很多，篇幅有限就不貼出來了。可以引入 Apache Commons Codec 工具類，提供Hex，Base64等常用方法。
非對稱加密
非對稱加密使用密鑰對進行加密。一般使用私密加密，公鑰解密，也可以反過來用。但自己加密的數據自己不能解，只能依靠對方解密，可以很好的防止單方面密鑰泄露。常用的加密算法有：RSA，DSA。
生成密鑰對
- <em>/**
- * 可以傳RSA或DSA算法
- */</em>
- KeyPair keyPair = KeyPairGenerator.getInstance("RSA").generateKeyPair();
- <em>// 私鑰</em>
- PrivateKey prvKey = keyPair.getPrivate();
- <em>// 公鑰</em>
- PublicKey pubKey = keyPair.getPublic();
保存密鑰
非對稱密鑰一般使用Base64編碼保存。
- <em>// 私鑰串</em>
- String prvKeyStr = Base64.getEncoder().encodeToString(prvKey.getEncoded());
- <em>// 公鑰串</em>
- String pubKeyStr = Base64.getEncoder().encodeToString(pubKey.getEncoded());
非對稱加密對加密內容長度有限制，不能超過192位。雖然可以使用加密數據數流來突破限制，但由于非對稱加密效率不如對稱加密，非對稱加密一般用來加密對稱密鑰。
讀取密鑰
- <em>// 從二進制中讀取私鑰</em>
- byte[] bPrvKey = Base64.getDecoder().decode(prvKeyStr);
- PKCS8EncodedKeySpec rsaKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(bPrvKey);
- PrivateKey prvKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(rsaKeySpec);
- <em>// 從二進制中讀取公鑰</em>
- byte[] bPubKey = Base64.getDecoder().decode(pubKeyStr);
- X509EncodedKeySpec rsaKeySpec1 = new X509EncodedKeySpec(bPubKey);
- PublicKey pubKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(rsaKeySpec1);
我們在接入其他系統中，有時不是給密鑰串，而是一個CA證書或PFX密鑰文件。HTTS網站就是使用非對稱加密的，網站會把CA證書掛在上面讓瀏覽器下載，和服務器進行加解密交互。
從CA證書中讀取公鑰
- <em>// keyFilePath是證書文件</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();
- }
從PFX文件中讀取密鑰
根據密鑰存儲類型，下面方可以讀取pfx或jks類型的密鑰文件。
- try (InputStream is = new FileInputStream(keyFilePath)) {
- <em>// pkcs12或jks</em>
- KeyStore store = KeyStore.getInstance("pkcs12");
- <em>// 密碼</em>
- store.load(is, "密碼".toCharArray());
- <em>// 獲取所有密鑰別名列表</em>
- Enumeration<String> e = store.aliases();
- <em>// 如果有，讀取第一個密鑰</em>
- if (e.hasMoreElements()) {
- String alias = e.nextElement();
- <em>// 私鑰</em>
- PrivateKey prvKey = (PrivateKey) store.getKey(alias, password.toCharArray());
- <em>// 公鑰</em>
- PublicKey pubKey = store.getCertificate(alias).getPublicKey();
- <em>// 創建密鑰對</em>
- KeyPair keyPare = new KeyPair(pubKey, prvKey);
- }
- } catch (IOException | KeyStoreException | CertificateException | NoSuchAlgorithmException | UnrecoverableKeyException e) {
- e.printStackTrace();
- }
密鑰文件是用來存儲密鑰的倉庫。Java中KeyTool工具可以創建jks密鑰文件。jks密鑰文件中可以存儲多個密鑰。如果有多個密鑰文件，可以根據別名來讀取指定密鑰。
加密擴展包——JCE
使用JDK8，讀取PFX密鑰也許會遇到：
java.security.InvalidKeyException:illegal Key Size
這是因為jdk sercurity的jar包限制，只支持128bit的密鑰。jar包如下：
- $JAVA_HOME/lib/security/local_policy.jar
- $JAVA_HOME/jre/lib/security/US_export_policy.jar
到Oracle官網下載JDK對應的加密擴展包(JCE)。以下是JDK8的JCE
https://www.oracle.com/java/technologies/javase-jce8-downloads.html
把下載后的文件解壓，找到 local_policy.jar 和 US_export_policy.jar
覆蓋jdk目錄下， $
JAVA_HOME/jre/lib/security 和 $JAVA_HOME/lib/security 下的文件。(有的版本JDK可能沒有 $JAVA_HOME/lib/security 目錄，則忽略)
再運行代碼，就能正常讀取256bit的密鑰。
加密&解密
用上面生成的密鑰(對稱/非對密)加密或解密
- <em>// 密文</em>
- String ciphertext = null;
- {
- String plaintext = "加密內容";
- <em>// 密鑰算法，RSA/DAS/AESDESed</em>
- Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
- <em>// 設置加密模式</em>
- cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, prvKey);
- <em>// 加密后的byte數組</em>
- byte[] cipherbyte = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());
- <em>// 轉成base64</em>
- ciphertext = Base64.getEncoder().encodeToString(cipherbyte);
- logger.info(ciphertext);
- }
- {
- <em>// 密鑰算法，RSA/DAS/AESDESed</em>
- Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
- <em>// 設置解密模式</em>
- cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, pubKey);
- <em>// base64解碼獲得密文byte數組</em>
- byte[] cipherbyte = Base64.getDecoder().decode(ciphertext);
- <em>// 解密后的byte數組</em>
- byte[] plainbyte = cipher.doFinal(cipherbyte);
- <em>// byte數組轉字符串</em>
- String plaintext = new String(plainbyte);
- logger.info(plaintext);
- }
簽名算法
保證數據安全，僅靠加密還不夠。如果密鑰被泄漏，攻擊者可以偽靠數據，使用密鑰加密后給服務器發送信息。所以還需要對數據簽名，為安全增加一道屏障。常用的簽名算法有：MD5，SHA。非對稱加密的公/私鑰也可以對數據簽名。
MD5或SHA簽名
- <em>// 可傳入MD5或SHA算法</em>
- MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
- <em>// 對str數據簽名</em>
- byte[] bSign = md.digest(str.getBytes());
- <em>// 轉成十六進制簽名串</em>
- String signStr = Hex.byteCoverToString(bSign);
公/私密鑰簽名
- <em>/**
- * 簽名
- * @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>/**
- * 驗簽
- * @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);
- }
- }
設計規范示例
示例一
第一次接觸Java加密是12年做銀聯直連支付插件，后臺加密規范是銀聯出的，對稱加密與非對稱加密都用上了。如下：
協議版本|加密密鑰|報文密文|報文簽名
協議版本號一般是固定的，如：1.0。
加密密鑰是動態生成的對稱密鑰，每一次請求都會生成，用來加密報文。加密密鑰用自己的私鑰加密，Base64編碼。
- 報文密文是用動態生成的加密密鑰加密后Base64編碼。
- 報文簽名是按約將報文明文參數排序，進行MD5計算。
示例二
因工作需內容，接入過幾十加支付系統，他們的加觸密都大同小異。示例一中銀聯的那套加密方案后面看到的不多。很多公司用的對稱密鑰+簽名。
- 報文(key1=value1&k2=value2&sign=value)
先對報文進行規則排序(一般是key的ascii碼升序或降序)，再用事先約定好的對密密鑰(十六進制字符串)拼接在后面，進行MD5計算。
也有的是使用RSA密鑰簽名驗簽。
跨語言加解密
Java原生API中加密算法提供者是SUN或Oracle。使用同相的Java代碼，用Android加密，后臺解密是不通過的。在Android上，算法要用 RSA/ECB/PKCS1Padding ，才能對應Oracle JDK的RSA。主要是因為非對稱加密的默認填充方式不一樣。
同樣，用PHP或.NET語言和Java交互，也會出現不能解密的情況。所以有些系統設計上，只用了簽名和對稱加密，配合https在傳輸上保證內容加密。雖然方便，但沒實際解決問題。
做Java后臺同學可能注意到，引入第三方提供的加解密SDK時，有些會依賴 org.bouncycastle 的包。
這是一個開源項目：Bouncy Castle，支持Java和C#語言。
官網： www.bouncycastle.org
Git： github.com/bcgit/bc-java
BC包需下載對應JDK版本，不同版本的BC包可能會沖突，甚至無法啟動工程。
可以使用 Security.addProvider() 手動添加加密提供者。
密鑰管理
JDK中有一個 keytool 的工具。可以用來創建密鑰庫，管理密鑰和證書。
keytool創建的密鑰庫keystore是jks類型的，讀取jks密鑰庫在前面已給出說明了。在tomcat中配置https時是可以直接使用keystore密鑰庫。nginx或apache使用的還是pfx或pem格式(pem一般只存私鑰)。
當我們用Java的Connection連接https有可能會遇到證書錯誤，是因為證書受信任，或不是受信任的機構頒發的。JDK有一個密鑰庫用來存放受信任證書。
- $JAVA_HOME/jre/lib/security/cacerts
我們可以用keytool管理cacerts，默認密碼：changeit
使用keytool在cacerts中添加相應證書，再用Connection訪問https就不會報錯了。
不建議在cacerts中添加證書，會導至程序可移植性差。在阿里云或Let’s Encrypt可以申請免費證書。
