Java开发中的加密、解密、签名、验签，密钥，证书（上篇）

Java架构之道 05-31 485

前言：

如今咱们对“java加密与解密的艺术”大约比较着重，兄弟们都想要知道一些“java加密与解密的艺术”的相关内容。那么小编同时在网摘上汇集了一些对于“java加密与解密的艺术””的相关知识，希望小伙伴们能喜欢，同学们快快来学习一下吧！

OpenSSL和keytool

先说一下两个重要的工具

OpenSSL：OpenSSL整个软件包大概可以分成三个主要的功能部分：SSL协议库libssl、应用程序命令工具以及密码算法库libcrypto。它使用标准的文件格式（PEM/CER/CRT/PKCS等）存储密钥和证书信息。keytool：是密钥和证书管理工具。它出自于Java体系，它使用KeyStore来管理密钥和证书。

两者都是可以用来生成加密密钥的工具，keytool出自Java体系，它可以直接操作KeyStore，而OpenSSL不支持直接操作KeyStore。实际情况有可能是这样的，使用OpenSSL生成了密钥或证书，然后使用keytool将其导入到KeyStore以便在Java环境中使用。

当然OpenSSL还具备其他功能比如作为SSL的客户端和服务器，这是keytool所不具备的。

对称加密

采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密，这种加密方法称为对称加密，也称为单密钥加密。——百度百科

对称加密算法的特点加密和解密使用同样的密钥计算速度快，适用于对大量数据加密处理安全性取决于算法，也取决于密钥的管理，一旦密钥泄漏，数据则暴露无遗对称加密算法的使用场景

基于上述的特点，在一些需要高效实时传输的加密通讯场景中，比如使用VPN或者代理进行通讯时，可以使用对称加密。另外在同一个系统内部不同模块，比如前后端，从前端输入的敏感信息，可以使用对称加密算法进行加密后将密文传到后端，避免传输过程中明文被截获，因为同系统内部之间密钥管理相对容易，而对于共享密钥有泄漏风险的其他任何场景，则不适合使用对称加密算法进行加密。

常见的对称加密算法

算法描述 DES（Data Encryption Standard）数据加密标准，速度较快，适用于加密大量数据 3DES（Triple DES）基于DES，对一块数据用三个不同的密钥进行三次加密，强度更高 AES（Advanced Encryption Standard）高级加密标准，速度快，安全级别高，支持128、192、256、512位密钥的加密 Blowfish 速度快且安全，而且没有专利和商业限制。了解更多>>

OpenSSL实现对称加密

OpenSSL> enc --helpusage: enc -ciphername [-AadePp] [-base64] [-bufsize number] [-debug]    [-in file] [-iv IV] [-K key] [-k password]    [-kfile file] [-md digest] [-none] [-nopad] [-nosalt]    [-out file] [-pass arg] [-S salt] [-salt] -A                 Process base64 data on one line (requires -a) -a                 Perform base64 encoding/decoding (alias -base64) -bufsize size      Specify the buffer size to use for I/O -d                 Decrypt the input data -debug             Print debugging information -e                 Encrypt the input data (default) -in file           Input file to read from (default stdin) -iv IV             IV to use, specified as a hexadecimal string -K key             Key to use, specified as a hexadecimal string -md digest         Digest to use to create a key from the passphrase -none              Use NULL cipher (no encryption or decryption) -nopad             Disable standard block padding -out file          Output file to write to (default stdout) -P                 Print out the salt, key and IV used, then exit                      (no encryption or decryption is performed) -p                 Print out the salt, key and IV used -pass source       Password source -S salt            Salt to use, specified as a hexadecimal string -salt              Use a salt in the key derivation routines (default) -v                 Verbose

命令选项描述 -in file 被加密文件的全路径 -out file 加密后内容输出的文件路径 -salt 自动插入一个随机数作为文件内容加密，默认选项 -e 加密模式，默认 -d 解密模式，需要与加密算法一致 -a 使用-base64位编码格式，也可使用-base64 -pass source 指定密码的输入方式，共有五种方式：命令行输入(stdin)、文件输入(file)、环境变量输入(var)、文件描述符输入(fd)、标准输入(stdin)。默认是标准输入即从键盘输入

只对文件进行base64编码，而不使用加解密

/*对文件进行base64编码*/openssl enc -base64 -in plain.txt -out base64.txt/*对base64格式文件进行解密操作*/openssl enc -base64 -d -in base64.txt -out plain2.txt/*使用diff命令查看可知解码前后明文一样*/diff plain.txt plain2.txt

不同方式的密码输入方式

/*命令行输入，密码123456*/openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass pass:123456/*文件输入，密码123456*/echo 123456 > passwd.txtopenssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass file:passwd.txt/*环境变量输入，密码123456*/passwd=123456export passwdopenssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass env:passwd/*从文件描述输入*/ openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass fd:1  /*从标准输入输入*/ openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass stdin

Java实现对称加密DES

/** * 生成 DES 算法密钥 * @return byte[] * @throws Exception */public static byte[] generateDESKey() throws Exception {    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DES");    // must be equal to 56    keyGenerator.init(56);    SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();    byte[] encodedKey = secretKey.getEncoded();    return encodedKey;}/** * DES加密 * @param encodedKey generateDESKey生成的密钥 * @param dataBytes byte[]形式的待加密数据 * @return byte[] * @throws Exception */public static byte[] encryptByDES(byte[] encodedKey, byte[] dataBytes) throws Exception {    SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(encodedKey, "DES");    Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);    byte[] encryptedData = cipher.doFinal(dataBytes);    return encryptedData;}/** * DES解密 * @param encodedKey generateDESKey生成的密钥 * @param encryptedData byte[]形式的待解密数据 * @return byte[] * @throws Exception */public static byte[] decryptByDES(byte[] encodedKey, byte[] encryptedData) throws Exception {    SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(encodedKey, "DES");    Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);    byte[] decryptedData = cipher.doFinal(encryptedData);    return decryptedData;}

基础版本使用方法如下：

@Testpublic void testDES_1() throws Exception {    byte[] encodedKey = SecurityUtil.generateDESKey();    String data = "this is a good boy";    byte[] encryptedData = SecurityUtil.encryptByDES(encodedKey, data.getBytes());    byte[] decryptedData = SecurityUtil.decryptByDES(encodedKey, encryptedData);    Assert.assertEquals(data, new String(decryptedData));}

可以看到，以上的方法使用起来并不友好，参数、返回等大量存在byte[]，不便于理解，中间结果不便于查看和传输，比如如果需要将encryptedData返回给下游系统，那么还得使用Base64进行处理，基于此，我对在上述接口基础上进一步进行封装，使其使用起来更贴近日常使用场景。

优化版本：

/** * 生成 DES 算法密钥 * @return 经过Base64编码的字符串密钥 * @throws Exception */public static String generateDESKeyStr() throws Exception {    return Base64.encodeBase64String(generateDESKey());}/** * DES加密 * @param key 经过Base64编码的字符串密钥 * @param data String形式的待加密数据 * @return 经过Base64编码的加密数据 * @throws Exception */public static String encryptByDES(String key, String data) throws Exception {    byte[] encodedKey = Base64.decodeBase64(key);    byte[] dataBytes = data.getBytes();    byte[] encryptedData = encryptByDES(encodedKey, dataBytes);    return Base64.encodeBase64String(encryptedData);}/** * DES解密 * @param key 经过Base64编码的字符串密钥 * @param data String形式的待解密数据 * @return 原始数据 * @throws Exception */public static String decryptByDES(String key, String data) throws Exception {    byte[] encodedKey = Base64.decodeBase64(key);    byte[] dataBytes = Base64.decodeBase64(data);    byte[] decryptedData = decryptByDES(encodedKey, dataBytes);    return new String(decryptedData);}

优化版本使用方法如下：

@Testpublic void testDES_2() throws Exception {    String key = SecurityUtil.generateDESKeyStr();    String data = "this is a good boy";    String encryptedData = SecurityUtil.encryptByDES(key, data);    String decryptedData = SecurityUtil.decryptByDES(key, encryptedData);    Assert.assertEquals(data, decryptedData);}

这里补充一下，在实际项目开发过程中，还真遇见不少同学对Base64理解有误的情况，对于以上处理和转换过程理解有难度的同学，可以戳一下这里

3DES

/** * 生成 3DES 算法密钥 * @return byte[] * @throws Exception */public static byte[] generate3DESKey() throws Exception {    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DESede");    // must be equal to 112 or 168    keyGenerator.init(168);    SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();    byte[] encodedKey = secretKey.getEncoded();    return encodedKey;}/** * 3DES加密 * @param encodedKey generate3DESKey生成的密钥 * @param dataBytes byte[]形式的待加密数据 * @return byte[] * @throws Exception */public static byte[] encryptBy3DES(byte[] encodedKey, byte[] dataBytes) throws Exception {    SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(encodedKey, "DESede");    Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede");    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);    byte[] encryptedData = cipher.doFinal(dataBytes);    return encryptedData;}/** * 3DES解密 * @param encodedKey generate3DESKey生成的密钥 * @param encryptedData byte[]形式的待解密数据 * @return byte[] * @throws Exception */public static byte[] decryptBy3DES(byte[] encodedKey, byte[] encryptedData) throws Exception {    SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(encodedKey, "DESede");    Cipher cipher = Cipher.getInstance("DESede");    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);    byte[] decryptedData = cipher.doFinal(encryptedData);    return decryptedData;}

使用方法如下：

@Testpublic void test3DES() throws Exception {    byte[] encodedKey = SecurityUtil.generate3DESKey();    String data = "this is a good boy";    byte[] encryptedData = SecurityUtil.encryptBy3DES(encodedKey, data.getBytes());    byte[] decryptedData = SecurityUtil.decryptBy3DES(encodedKey, encryptedData);    Assert.assertEquals(data, new String(decryptedData));}

AES

/** * 生成 AES 算法密钥 * @return byte[] * @throws Exception */public static byte[] generateAESKey() throws Exception {    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");    // must be equal to 128, 192 or 256    // 但是当你使用 192/256 时，会收到：    // java.security.InvalidKeyException: Illegal key size or default parameters    keyGenerator.init(128);    SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();    byte[] encodedKey = secretKey.getEncoded();    return encodedKey;}/** * AES加密 * @param encodedKey generateAESKey生成的密钥 * @param dataBytes byte[]形式的待加密数据 * @return byte[] * @throws Exception */public static byte[] encryptByAES(byte[] encodedKey, byte[] dataBytes) throws Exception {    SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(encodedKey, "AES");    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);    byte[] encryptedData = cipher.doFinal(dataBytes);    return encryptedData;}/** * AES密 * @param encodedKey generateAESSKey生成的密钥 * @param encryptedData byte[]形式的待解密数据 * @return byte[] * @throws Exception */public static byte[] decryptByAES(byte[] encodedKey, byte[] encryptedData) throws Exception {    SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(encodedKey, "AES");    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);    byte[] decryptedData = cipher.doFinal(encryptedData);    return decryptedData;}

使用方法如下：

@Testpublic void testAES() throws Exception {    byte[] encodedKey = SecurityUtil.generateAESKey();    String data = "this is a good boy";    byte[] encryptedData = SecurityUtil.encryptByAES(encodedKey, data.getBytes());    byte[] decryptedData = SecurityUtil.decryptByAES(encodedKey, encryptedData);    Assert.assertEquals(data, new String(decryptedData));}

虽然AES支持128、192或 256的密钥长度，但是当我们使用192或256位长度的密钥时，会收到这个异常：java.security.InvalidKeyException: Illegal key size or default parameters

java.security.InvalidKeyException: Illegal key size or default parameters at javax.crypto.Cipher.checkCryptoPerm(Cipher.java:1026) at javax.crypto.Cipher.implInit(Cipher.java:801) at javax.crypto.Cipher.chooseProvider(Cipher.java:864) at javax.crypto.Cipher.init(Cipher.java:1249) at javax.crypto.Cipher.init(Cipher.java:1186) at com.example.architecture.util.SecurityUtil.encryptByAES(SecurityUtil.java:161) at com.example.architecture.util.SecurityUtilTest.testAES(SecurityUtilTest.java:97) at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method) at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62) at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43) at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498) at org.junit.runners.model.FrameworkMethod$1.runReflectiveCall(FrameworkMethod.java:50) at org.junit.internal.runners.model.ReflectiveCallable.run(ReflectiveCallable.java:12) at org.junit.runners.model.FrameworkMethod.invokeExplosively(FrameworkMethod.java:47) at org.junit.internal.runners.statements.InvokeMethod.evaluate(InvokeMethod.java:17)

原因是JRE中自带的local_policy.jar 和US_export_policy.jar是支持128位密钥的加密算法，而当我们要使用192或256位密钥算法的时候，已经超出它支持的范围。

解决方案：去官方下载JCE无限制权限策略文件。

JDK5 ｜ JDK6 ｜ JDK7｜ JDK8

下载后解压，可以看到local_policy.jar和US_export_policy.jar以及readme.txt

如果安装了JRE，将两个jar文件放到%JRE_HOME%\lib\security目录下覆盖原来的文件。如果安装了JDK，还要将两个jar文件也放到%JDK_HOME%\jre\lib\security目录下覆盖原来文件。

AES128和AES256主要区别是密钥长度不同（分别是128bits，256bits)、加密处理轮数不同（分别是10轮，14轮），后者强度高于前者，当前AES是公认的较为安全的对称加密算法。

至此，上篇结束，更多精彩内容，欢迎继续阅读下篇。

参考资料：

对称加密/2152944

非对称加密算法/1208652

本文地址：http://www.longkongtuishu.com/ca867BmsFBlcG.html

标签： #java加密与解密的艺术