Java加密和数字签名编程
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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。