Java加密和数字签名编程

　　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。