Java加密和数字签名编程

网络编程 2024/11/1 佚名

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　　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。