淺談Java編程入門中的加密和數(shù)字簽名編程

作者：qingzuochen 2009-06-29 13:26:44

本文主要談一下Java編程入門中的加密和數(shù)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(fā)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(xiàn)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(shù)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編程入門級的代碼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：

Java代碼

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

Java代碼

/**    
*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("\nStart 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("\n"+cipher.getProvider().getInfo());     
    
//使用私鈅加密     
System.out.println("\nStart encryption:");     
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key);     
byte[] ciphercipherText=cipher.doFinal(plainText);     
System.out.println("Finish encryption:");     
System.out.println(new String(cipherText,"UTF8"));     
    
   //使用私鑰解密     
System.out.println("\nStart decryption:");     
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,key);     
byte[] newPlainText=cipher.doFinal(cipherText);     
System.out.println("Finish decryption:");     
    
System.out.println(new String(newPlainText,"UTF8"));     
    
　}     
}     
 
/**  
*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("\nStart 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("\n"+cipher.getProvider().getInfo());  
 
//使用私鈅加密  
System.out.println("\nStart encryption:");  
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key);  
byte[] ciphercipherText=cipher.doFinal(plainText);  
System.out.println("Finish encryption:");  
System.out.println(new String(cipherText,"UTF8"));  
 
   //使用私鑰解密  
System.out.println("\nStart 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(huán)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(xiàn)。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(shù)據(jù)，只有私鑰能解開（可用于加密）；同時，使用私鑰加密的數(shù)據(jù)，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：

Java代碼

/**    
*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("\nStart 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("\n"+cipher.getProvider().getInfo());     
    
System.out.println("\nStart encryption");     
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key.getPublic());     
byte[] ciphercipherText=cipher.doFinal(plainText);     
System.out.println("Finish encryption:");     
System.out.println(new String(cipherText,"UTF8"));     
    
//使用私鈅解密     
System.out.println("\nStart 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"));     
　}     
}     
 
/**  
*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("\nStart 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("\n"+cipher.getProvider().getInfo());  
 
System.out.println("\nStart encryption");  
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key.getPublic());  
byte[] ciphercipherText=cipher.doFinal(plainText);  
System.out.println("Finish encryption:");  
System.out.println(new String(cipherText,"UTF8"));  
 
//使用私鈅解密  
System.out.println("\nStart 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(shù)字簽名：

數(shù)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(shù)據(jù)后發(fā)給B，B利用私鑰解密就得到了需要的數(shù)據(jù)，問題來了，由于都是使用公鑰加密，那么如何檢驗是A發(fā)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(shù)字簽名的原理就基于此，而通常為了證明發(fā)送數(shù)據(jù)的真實性，通過利用消息摘要獲得簡短的消息內(nèi)容，然后再利用私鑰進行加密散列數(shù)據(jù)和消息一起發(fā)送。java中為數(shù)字簽名提供了良好的支持，java.security.Signature類提供了消息簽名：

Java代碼

/**    
*DigitalSignature2Example.java    
*Copyright 2005-2-16    
*/    
import java.security.Signature;     
import java.security.KeyPairGenerator;     
import java.security.KeyPair;     
import java.security.SignatureException;     
    
/**    
*數(shù)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("\nStart 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[] sigsignature=sig.sign();     
System.out.println(sig.getProvider().getInfo());     
System.out.println("\nSignature:");     
System.out.println(new String(signature,"UTF8"));     
    
//使用公鈅驗證     
System.out.println("\nStart 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");     
　}     
}     
}     
 
/**  
*DigitalSignature2Example.java  
*Copyright 2005-2-16  
*/  
import java.security.Signature;  
import java.security.KeyPairGenerator;  
import java.security.KeyPair;  
import java.security.SignatureException;  
 
/**  
*數(shù)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("\nStart 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[] sigsignature=sig.sign();  
System.out.println(sig.getProvider().getInfo());  
System.out.println("\nSignature:");  
System.out.println(new String(signature,"UTF8"));  
 
//使用公鈅驗證  
System.out.println("\nStart 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(shù)字證書。

還有個Java編程入門級的問題，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(xiàn)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(fā)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(xiàn)了Certificate Authority(也即CA），有名的CA機構有Verisign等，目前數(shù)字認證的工業(yè)標準是：CCITT的X.509：
數(shù)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(shù)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(chuàng)建密鑰庫keytool -genkey -v -alias feiUserKey -keyalg RSA 默認在自己的home目錄下（windows系統(tǒng)是c:\documents and settings\<你的用戶名> 目錄下的.keystore文件），創(chuàng)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(chuàng)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。

二、JAR的簽名

我們已經(jīng)學會了怎樣創(chuàng)建自己的證書了，現(xiàn)在可以開始了解怎樣對JAR文件簽名，JAR文件在Java中相當于 ZIP 文件，允許將多個 Java 類文件打包到一個具有 .jar 擴展名的文件中，然后可以對這個jar文件進行數(shù)字簽名，以證實其來源和真實性。該 JAR 文件的接收方可以根據(jù)發(fā)送方的簽名決定是否信任該代碼，并可以確信該內(nèi)容在接收之前沒有被篡改過。同時在部署中，可以通過在策略文件中放置訪問控制語句根據(jù)簽名者的身份分配對機器資源的訪問權。這樣，有些Applet的安全檢驗訪問就得以進行。

使用jarsigner工具可以對jar文件進行簽名：

現(xiàn)在假設我們有個Test.jar文件（可以使用jar命令行工具生成）：

jarsigner Test.jar feiUserKey (這里我們上面創(chuàng)建了該別名的證書) ，詳細信息可以輸入jarsigner查看幫助

驗證其真實性：jarsigner -verify　Test.jar(注意，驗證的是jar是否被修改了，但不檢驗減少的，如果增加了新的內(nèi)容，也提示，但減少的不會提示。）

使用Applet中：：< APPLET archive=Test.jar code=Test.class width=150 height=100>< /APPLET>然后瀏覽器就會提示你：準許這個會話-拒絕-始終準許-查看證書等。

三、安全套接字層（SSL Secure Sockets Layer）和傳輸層安全性（TLS Transport Layer Security）

安全套接字層和傳輸層安全性是用于在客戶機和服務器之間構建安全的通信通道的協(xié)議。它也用來為客戶機認證服務器，以及（不太常用的）為服務器認證客戶機。該協(xié)議在瀏覽器應用程序中比較常見，瀏覽器窗口底部的鎖表明 SSL/TLS 有效：

1）當使用 SSL/TLS（通常使用 https:// URL）向站點進行請求時，從服務器向客戶機發(fā)送一個證書。客戶機使用已安裝的公共 CA 證書通過這個證書驗證服務器的身份，然后檢查 IP 名稱（機器名）與客戶機連接的機器是否匹配。

2）客戶機生成一些可以用來生成對話的私鑰（稱為會話密鑰）的隨機信息，然后用服務器的公鑰對它加密并將它發(fā)送到服務器。服務器用自己的私鑰解密消息，然后用該隨機信息派生出和客戶機一樣的私有會話密鑰。通常在這個階段使用 RSA 公鑰算法。

3）客戶機和服務器使用私有會話密鑰和私鑰算法（通常是 RC4）進行通信。使用另一個密鑰的消息認證碼來確保消息的完整性。

java中javax.net.ssl.SSLServerSocketFactory類提供了一個很好的SSLServerSocker的工廠類，熟悉Socket編程的讀者可以去練習。當編寫完服務器端之后，在瀏覽器上輸入https://主機名:端口就會通過SSL/TLS進行通話了。注意：運行服務端的時候要帶系統(tǒng)環(huán)境變量運行：javax.net.ssl.keyStore=密鑰庫(創(chuàng)建證書時，名字應該為主機名，比如localhost)和javax.net.ssl.keyStorePassword=你的密碼

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責任編輯：彭凡來源： javaeye

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