前言
数字签名，信息加密是前后端开发都常用到的技术，应用场景包括了用户登入、交易、信息通讯、oath等等，不同的应用场景也会需要用到不同的签名加密算法。或者需要搭配不一样的签名加密算法，来达到业务目标。这里简要介绍下集中常见的签名加密算法及一些典型的应用场景。
1、数字签名
数字签名，简单来说就是通过提供可鉴别的数字信息验证自身身份的一种方式，一套数字签名通常定义两种互补的运算，一个用于签名，一个用于验证。分别由发送者持有能够代表自己身份的私钥（私钥不可泄露）由接收者持有与私钥对应的公钥，能够在接收到发送者信息时验证其身份。
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注意，图中加密过程有别于公钥加密，。签名最根本的用途是能够唯一证明发送方的身份，防止中间人攻击，CSRF跨域身份伪造，基于这一点在诸如设备认证、用户认证、第三方认证等认证体系中都会用到签名算法。彼此的实现方式会有差异。
2、加密和解密
数据加密的基本过程，就是对原来就是对原来为明文的文件或者数据进行处理，使其成为不可读的一段代码，通常成为 密文，来达到保护数据，而不被人非法获取、阅读的目的。
加密的你过程称为解密，即将该编码信息转化为其原来数据的过程。
3、对称加密和非对称加密
加密算法分对称加密和非对称加密，其中对称加密算法的加密和解密密钥相同，非对称加密的加密密钥和解密密钥不同，才外还有一类不需要密钥的散列算法。
常见的对称加密算法 DES、3DES、AES等，常见的非对称算法主要有 RSA、DSA等，散列算法有
SHA-1、MD5等。
对称加密算法是应用较早的加密算法，又称为共享密钥加密算法，在对称加密算法发中，使用的密钥只有一个，发送和接收双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密。这就要求加密方和解密方都指定密钥。
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1、数据加密过程：在对称加密算法中，数据发送方将明文（原始数据）和加密密钥一起经过特殊加密处理，生成复杂的加密密文进行发送。
2、数据解密过程：数据接收方收到密文后，若想读取原数据，则需要使用加密使用的密钥及相同算法的逆算法对加密的密文进行解密，才能使其恢复成可读明文。
非对称加密算法又称为公开密钥加密算法，他需要两个密钥，一个分为公开密钥（public key ）,即公钥，另一个为私有密钥（private key）即私钥。
因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法称为非对称加密算法。
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1、如果使用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密
2、如果使用私钥对数据进行加密，只有用对应的公钥才能解密
例子：甲方生成一对密钥，并将其中的一把作为公钥向其他人公开，得到该公钥的乙方，使用该密钥对机密信息进行加密后再发送给甲方，甲方再使用自己保存的另一把专用密钥（私钥），对加密后的信息进行解密。
4、常见的签名加密算法
4.1. MD5算法
MD5 用的是哈希函数，它的典型应用是对一段信息产生信息摘要，以防止被纂改，严格来说MD5 不是一种加密算法，而是摘要算法，无论是多长的输入，MD5 都会输出长度为128bits 的一个串， (通常用 16 进制 表示为 32 个字符)。 java 语言的代码如下：
public class MD5Main {
public static void main(String[] args) {
String content = "this is a message";
try {
MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
md5.digest(content.getBytes());
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
4.2. SHA1算法
SHA1 是和 MD5 一样流行的 消息摘要算法，然而 SHA1 比 MD5 的 安全性更强。对于长度小于 2 ^ 64 位的消息，SHA1 会产生一个 160 位的 消息摘要。基于 MD5、SHA1 的信息摘要特性以及 不可逆 (一般而言)，可以被应用在检查 文件完整性 以及 数字签名 等场景。
public class MD5Main {
public static void main(String[] args) {
String content = "this is a message";
try {
MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("SHA1");
System.out.println("---------" + md5.digest(content.getBytes()));
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
4.3. HMAC算法
HMAC 是密钥相关的，哈希运算消息认证码（Hash-based Message Authentication Code ），HMAC 运算利用 哈希算法 (MD5、SHA1 等)， 以一个密钥和一个消息为输入，生成一个消息摘要为输出。
HMAC 发送方 和 接收方 都有的 key 进行计算， 而没有这把key 的第三方，则是无法计算出正确的散列值的，这样的话就可以防止数据被纂改。
package net.pocrd.util;
import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import net.pocrd.define.ConstField;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Arrays;
@NotThreadSafe
public class HMacHelper {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(HMacHelper.class);
private Mac mac;
/**
* MAC算法可选以下多种算法
* HmacMD5/HmacSHA1/HmacSHA256/HmacSHA384/HmacSHA512
*/
private static final String KEY_MAC = "HmacMD5";
public HMacHelper(String key) {
try {
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key.getBytes(ConstField.UTF8), KEY_MAC);
mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
mac.init(secretKey);
} catch (Exception e) {
logger.error("create hmac helper failed.", e);
}
}
public byte[] sign(byte[] content) {
return mac.doFinal(content);
}
public boolean verify(byte[] signature, byte[] content) {
try {
byte[] result = mac.doFinal(content);
return Arrays.equals(signature, result);
} catch (Exception e) {
logger.error("verify sig failed.", e);
}
return false;
}
}
测试结论：
HMAC算法实例在多线程环境下是不安全的，但是需要在多线程访问时，进行同步的辅助类，使用ThreadLocal为每个线程缓存一个实例可以避免进行锁操作。
4.4. AES/DES/3DES算法
AES、DES、3DES 都是 对称 的 块加密算法，加解密 的过程是 可逆的。常用的有 AES128、AES192、AES256 (默认安装的 JDK 尚不支持 AES256，需要安装对应的 jce 补丁进行升级 jce1.7，jce1.8)。
4.4.1. DES算法
DES 加密算法是一种分组密码，以 64 位为 分组对数据 加密， 它的密钥长度时56 位，加密解密用同一算法。
DES 算法是对密钥进行保密，而公开算法，包括加密和解密算法，这样只有掌握了和发送方相同密钥的人才能解读由DES 加密算法加密的密文数据。因此破解DES 加密算法实际上就是搜索密钥的编码。对于 56 位长度的 密钥 来说，如果用 穷举法 来进行搜索的话，其运算次数为 2 ^ 56 次。
4.4.2. 3DES算法
是基于 DES 的 对称算法，对 一块数据 用 三个不同的密钥 进行 三次加密，强度更高。
4.4.3. AES算法
AES 加密算法是密码学中的高级加密标准，该加密算法采用对称分组密码体制，密钥长度最少支持为128 位、 192 位、256 位，分组长度 128 位， 算法应易于各种软件和硬件实现。这种加密算法是美国联邦政府采用的 区块加密标准。
AES 本身就是为了取代 DES 的，AES 具有更好的 安全性、效率 和 灵活性。
import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.SecureRandom;
@NotThreadSafe
public class AesHelper {
private SecretKeySpec keySpec;
private IvParameterSpec iv;
public AesHelper(byte[] aesKey, byte[] iv) {
if (aesKey == null || aesKey.length < 16 || (iv != null && iv.length < 16)) {
throw new RuntimeException("错误的初始密钥");
}
if (iv == null) {
iv = Md5Util.compute(aesKey);
}
keySpec = new SecretKeySpec(aesKey, "AES");
this.iv = new IvParameterSpec(iv);
}
public AesHelper(byte[] aesKey) {
if (aesKey == null || aesKey.length < 16) {
throw new RuntimeException("错误的初始密钥");
}
keySpec = new SecretKeySpec(aesKey, "AES");
this.iv = new IvParameterSpec(Md5Util.compute(aesKey));
}
public byte[] encrypt(byte[] data) {
byte[] result = null;
Cipher cipher = null;
try {
cipher = Cipher.getInstance("AES/CFB/NoPadding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, iv);
result = cipher.doFinal(data);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
return result;
}
public byte[] decrypt(byte[] secret) {
byte[] result = null;
Cipher cipher = null;
try {
cipher = Cipher.getInstance("AES/CFB/NoPadding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, iv);
result = cipher.doFinal(secret);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
return result;
}
public static byte[] randomKey(int size) {
byte[] result = null;
try {
KeyGenerator gen = KeyGenerator.getInstance("AES");
gen.init(size, new SecureRandom());
result = gen.generateKey().getEncoded();
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
return result;
}
}
4.5. RSA算法
RSA 加密算法是目前最有影响力的 公钥加密算法，并且被普遍认为是目前 最优秀的公钥方案 之一。RSA 是第一个能同时用于 加密 和 数字签名 的算法，它能够 抵抗 到目前为止已知的 所有密码攻击，已被 ISO 推荐为公钥数据加密标准。
RSA加密算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但想要对其乘积进行因式分解缺极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。
import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import javax.crypto.Cipher;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.Security;
import java.security.Signature;
import java.security.interfaces.RSAPrivateCrtKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
@NotThreadSafe
public class RsaHelper {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RsaHelper.class);
private RSAPublicKey publicKey;
private RSAPrivateCrtKey privateKey;
static {
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider()); //使用bouncycastle作为加密算法实现
}
public RsaHelper(String publicKey, String privateKey) {
this(Base64Util.decode(publicKey), Base64Util.decode(privateKey));
}
public RsaHelper(byte[] publicKey, byte[] privateKey) {
try {
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
this.publicKey = (RSAPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
}
if (privateKey != null && privateKey.length > 0) {
this.privateKey = (RSAPrivateCrtKey)keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));
}
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public RsaHelper(String publicKey) {
this(Base64Util.decode(publicKey));
}
public RsaHelper(byte[] publicKey) {
try {
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
this.publicKey = (RSAPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
}
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public byte[] encrypt(byte[] content) {
if (publicKey == null) {
throw new RuntimeException("public key is null.");
}
if (content == null) {
return null;
}
try {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
int size = publicKey.getModulus().bitLength() / 8 - 11;
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((content.length + size - 1) / size * (size + 11));
int left = 0;
for (int i = 0; i < content.length; ) {
left = content.length - i;
if (left > size) {
cipher.update(content, i, size);
i += size;
} else {
cipher.update(content, i, left);
i += left;
}
baos.write(cipher.doFinal());
}
return baos.toByteArray();
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public byte[] decrypt(byte[] secret) {
if (privateKey == null) {
throw new RuntimeException("private key is null.");
}
if (secret == null) {
return null;
}
try {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
int size = privateKey.getModulus().bitLength() / 8;
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((secret.length + size - 12) / (size - 11) * size);
int left = 0;
for (int i = 0; i < secret.length; ) {
left = secret.length - i;
if (left > size) {
cipher.update(secret, i, size);
i += size;
} else {
cipher.update(secret, i, left);
i += left;
}
baos.write(cipher.doFinal());
}
return baos.toByteArray();
} catch (Exception e) {
logger.error("rsa decrypt failed.", e);
}
return null;
}
public byte[] sign(byte[] content) {
if (privateKey == null) {
throw new RuntimeException("private key is null.");
}
if (content == null) {
return null;
}
try {
Signature signature = Signature.getInstance("SHA1WithRSA");
signature.initSign(privateKey);
signature.update(content);
return signature.sign();
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public boolean verify(byte[] sign, byte[] content) {
if (publicKey == null) {
throw new RuntimeException("public key is null.");
}
if (sign == null || content == null) {
return false;
}
try {
Signature signature = Signature.getInstance("SHA1WithRSA");
signature.initVerify(publicKey);
signature.update(content);
return signature.verify(sign);
} catch (Exception e) {
logger.error("rsa verify failed.", e);
}
return false;
}
}
4.6. ECC算法
ECC 也是一种 非对称加密算法，主要优势是在某些情况下，它比其他的方法使用 更小的密钥，比如 RSA 加密算法，提供 相当的或更高等级 的安全级别。不过一个缺点是 加密和解密操作 的实现比其他机制 时间长 (相比 RSA 算法，该算法对 CPU 消耗严重)。
import net.pocrd.annotation.NotThreadSafe;
import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.ec.BCECPrivateKey;
import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.ec.BCECPublicKey;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import javax.crypto.Cipher;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.Security;
import java.security.Signature;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
@NotThreadSafe
public class EccHelper {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(EccHelper.class);
private static final int SIZE = 4096;
private BCECPublicKey publicKey;
private BCECPrivateKey privateKey;
static {
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
}
public EccHelper(String publicKey, String privateKey) {
this(Base64Util.decode(publicKey), Base64Util.decode(privateKey));
}
public EccHelper(byte[] publicKey, byte[] privateKey) {
try {
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC", "BC");
if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
this.publicKey = (BCECPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
}
if (privateKey != null && privateKey.length > 0) {
this.privateKey = (BCECPrivateKey)keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));
}
} catch (ClassCastException e) {
throw new RuntimeException("", e);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public EccHelper(String publicKey) {
this(Base64Util.decode(publicKey));
}
public EccHelper(byte[] publicKey) {
try {
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC", "BC");
if (publicKey != null && publicKey.length > 0) {
this.publicKey = (BCECPublicKey)keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));
}
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public byte[] encrypt(byte[] content) {
if (publicKey == null) {
throw new RuntimeException("public key is null.");
}
try {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("ECIES", "BC");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
int size = SIZE;
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((content.length + size - 1) / size * (size + 45));
int left = 0;
for (int i = 0; i < content.length; ) {
left = content.length - i;
if (left > size) {
cipher.update(content, i, size);
i += size;
} else {
cipher.update(content, i, left);
i += left;
}
baos.write(cipher.doFinal());
}
return baos.toByteArray();
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public byte[] decrypt(byte[] secret) {
if (privateKey == null) {
throw new RuntimeException("private key is null.");
}
try {
Cipher cipher = Cipher.getInstance("ECIES", "BC");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
int size = SIZE + 45;
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream((secret.length + size + 44) / (size + 45) * size);
int left = 0;
for (int i = 0; i < secret.length; ) {
left = secret.length - i;
if (left > size) {
cipher.update(secret, i, size);
i += size;
} else {
cipher.update(secret, i, left);
i += left;
}
baos.write(cipher.doFinal());
}
return baos.toByteArray();
} catch (Exception e) {
logger.error("ecc decrypt failed.", e);
}
return null;
}
public byte[] sign(byte[] content) {
if (privateKey == null) {
throw new RuntimeException("private key is null.");
}
try {
Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withECDSA", "BC");
signature.initSign(privateKey);
signature.update(content);
return signature.sign();
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public boolean verify(byte[] sign, byte[] content) {
if (publicKey == null) {
throw new RuntimeException("public key is null.");
}
try {
Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withECDSA", "BC");
signature.initVerify(publicKey);
signature.update(content);
return signature.verify(sign);
} catch (Exception e) {
logger.error("ecc verify failed.", e);
}
return false;
}
}
5. 各种加密算法对比
5.1. 散列算法比较
| 名称 | 安全性 | 速度 |
|---|---|---|
| SHA-1 | 高 | 慢 |
| MD5 | 中 | 快 |
5.2. 对称加密算法比较
| 名称 | 密钥名称 | 运行速度 | 安全性 | 资源消耗 |
|---|---|---|---|---|
| DES | 56位 | 较快 | 低 | 中 |
| 3DES | 112位或168位 | 慢 | 中 | 高 |
| AES | 128、192、256位 | 快 | 高 | 低 |
5.3. 非对称加密算法比较
| 名称 | 成熟度 | 安全性 | 运算速度 | 资源消耗 |
|---|---|---|---|---|
| RSA | 高 | 高 | 中 | 中 |
| ECC | 高 | 高 | 慢 | 高 |
5.4. 对称算法与非对称加密算法
5.4.1. 对称算法
- 密钥管理：比较难，不适合互联网，一般用于内部系统
- 安全性：中
-
加密速度：快好 几个数量级 (软件加解密速度至少快
100倍，每秒可以加解密数M比特 数据)，适合大数据量的加解密处理
5.4.2. 非对称算法
- 密钥管理：密钥容易管理
- 安全性：高
- 加密速度：比较慢，适合 小数据量 加解密或数据签名
小结
本文介绍了 数字签名，加密和解密，对称加密和非对称加密，然后详细介绍了 MD5，SHA-1，HMAC，DES/AES，RSA 和 ECC 这几种加密算法和代码示例。
