Java Security：Java加密框架(JCA)简要说明

加密服务总是关联到一个特定的算法或类型,它既提供了密码操作(如Digital Signature或MessageDigest),生成或供应所需的加密材料(Key或Parameters)加密操作,也会以一个安全的方式生成数据对象(KeyStore或Certificate),封装(压缩)密钥(可以用于加密操作)。

    Java Security API中，一个engine class就是定义了一种加密服务，不同的engine class提供不同的服务。下面就来看看有哪些engine class：

    1）MessageDigest：对消息进行hash算法生成消息摘要（digest）。

    2）Signature：对数据进行签名、验证数字签名。

    3）KeyPairGenerator：根据指定的算法生成配对的公钥、私钥。

    4）KeyFactory：根据Key说明（KeySpec）生成公钥或者私钥。

    5）CertificateFactory：创建公钥证书和证书吊销列表（CRLs）。

    6）KeyStore：keystore是一个keys的数据库。Keystore中的私钥会有一个相关联的证书链，证书用于鉴定对应的公钥。一个keystore也包含其它的信任的实体。

    7）AlgorithmParameters：管理算法参数。KeyPairGenerator就是使用算法参数，进行算法相关的运算，生成KeyPair的。生成Signature时也会用到。

    8）AlgorithmParametersGenerator：用于生成AlgorithmParameters。

    9）SecureRandom：用于生成随机数或者伪随机数。

    10）CertPathBuilder：用于构建证书链。

    11）CertPathValidator：用于校验证书链。

    12）CertStore：存储、获取证书链、CRLs到（从）CertStore中。

    从上面这些engine class中，可以看出JCA（Java加密框架）中主要就是提供了4种服务：Digest、Key、Cert、Signature、Alogorithm。

    1） 对消息内容使用某种hash算法就可以生成Digest。

    2） 利用KeyFactory、KeyPairGenerator就可以生成公钥、私钥。

    3） 证书中心使用公钥就可生成Cert。

    4） 可以使用私钥和Digest就可以消息进行签名Signature。

    5） 不论是Digest、Key、Cert、Signature，都要使用到算法Algorithm。

    JCA Core API

    1）engine class的提供商Provider

    从JCA的设计上来说，这些engine的实现都离不开Provider。

    这个类继承了Properties，提供了JCA中的engine class。每个engine class都有getInstance()方法，它们都是从provider中获取相关实例的。所以说Provider是JCA engine class的提供商。

    2）管理Provider的工具：Security

    其实就是一个存放Provider的集合。如果你自定义了一个Provider，可以使用Java Security属性文件配置provider，也可以直接使用Security采用编程的方式来添加Provider。然后就可以使用自定义的engine class了。

    Java Security 属性文件在Java Security Policy中已有提过。在安装目录下：

    下面是一个自定义的Provider：

    /**

    * @author [e-mail]

    */

    public class XYZProvider extends Provider{

    public XYZProvider(){

    super("XYZ", 1.0, "XYZ Security Provider v1.0");

    put("MessageDigest.XYZ", XYZMessageDigest.class.getName());

    }

    }

    已经默认配置了下列Provider：

    配置为：security.provider.11=com.fjn.security.XYZProvider 即可。

    编码方式就更加简单了：Security.addProvider(new XYZProvider());

    3）消息摘要服务：MessageDigest

    消息摘要服务其实就是使用hash算法将一段消息（可以是字符串、文件内容、html等）进行计算生成的一个byte[]。

    常用加密算法MD5、SHA、SHA-1其实都是hash算法。

    下面就给一个简单的MD5算法工具：

    package com.fjn.util;

    import java.security.MessageDigest;

    import java.security.NoSuchAlgorithmException;

    /**

    *

    * @author [e-mail]

    *

    */

    public class MD5 {

    private static MessageDigest md5MsgDigest;

    static{

    try {

    md5MsgDigest=MessageDigest.getInstance("md5");

    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {

    e.printStackTrace();

    }

    }

    // 转字符串

    public static String byte2hex(byte[] b){

    String hs = "";

    String stmp = "";

    for (int n = 0; n < b.length; n++) {

    stmp = Integer.toHexString(b[n] & 0xFF);

    if (stmp.length() == 1)

    hs = hs + "0" + stmp;

    else

    hs = hs + stmp;

    }

    return hs.toUpperCase();

    }

    public static String getMD5(String srcMsg){

    if(srcMsg == null){

    throw new IllegalArgumentException("srcMsg is null.");

    }

    byte[] md5Bytes=md5MsgDigest.digest(srcMsg.getBytes());

    return byte2hex(md5Bytes);

    }

    public static void main(String[] args) {

    System.out.println(MD5.getMD5("hello"));

    System.out.println(MD5.getMD5("world"));

    }

    }

    Md5算法我并没有去实现，因为在JDK中已经内置了md5算法。上面的代码就是使用消息摘要服务，并使用md5算法，生成相应的摘要。

    下面来一个自定义的MessageDigest：

    package com.fjn.security.messageDigest;

    import java.security.MessageDigest;

    /**

    * @author [e-mail]

    */

    public class XYZMessageDigest extends MessageDigest{

    private int hash;

    private int store;

    private int count;

    public XYZMessageDigest(){

    super("XYZ");

    engineReset();

    }

    /**

    * 算法执行过程，每次执行{@link MessageDigest#update(byte)}时，都会调用这个方法，

    * 也就是使用这个算法对在已经计算的数据的基础上再次计算，计算出最新的结果

    */

    @Override

    protected void engineUpdate(byte b) {

    switch (count) {

    case 0:

    store = (b << 24) & 0xff000000;

    break;

    case 1:

    store |= (b << 16) & 0x00ff0000;

    break;

    case 2:

    store |= (b << 8) & 0x0000ff00;

    break;

    case 3:

    store |= (b << 0) & 0x000000ff;

    break;

    }

    count++;

    if(count==4){

    hash = hash ^ store;

    count = 0;

    store = 0;

    }

    }

    @Override

    protected void engineUpdate(byte[] b, int offset, int length) {

    for (int i = 0; i < length; i++){

    engineUpdate(b[i + offset]);

    }

    }

    /**

    * 每次执行{@link MessageDigest#digest()}时，都会获取之前计算好的结果。

    * 同时也会将数据置为初始状态。

    */

    @Override

    protected byte[] engineDigest() {

    while (count != 0){

    engineUpdate((byte) 0);

    }

    byte b[] = new byte[4];

    b[0] = (byte) (hash >>> 24);

    b[1] = (byte) (hash >>> 16);

    b[2] = (byte) (hash >>> 8);

    b[3] = (byte) (hash >>> 0);

    engineReset();

    return b;

    }

    /**

    * 数据转为初始状态

    */

    @Override

    protected void engineReset() {

    hash = 0;

    store = 0;

    count = 0;

    }

    }

    这个自定义的MessageDigest中备注的内容，其实就是MessageDigest的执行过程，所有的MessageDigest都要遵从这个过程的。

    测试用例：

    package com.fjn.security.messageDigest;

    import java.io.File;

    import java.io.FileInputStream;

    import java.io.FileOutputStream;

    import java.io.ObjectInputStream;

    import java.io.ObjectOutputStream;

    import java.security.MessageDigest;

    import java.security.Security;

    public class XYZMessageDigestTest {

    private static String filename="MessageDigestTest.txt";

    static{

    Security.addProvider(new XYZProvider());

    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {

    XYZMessageDigestTest test=new XYZMessageDigestTest();

    test.writeMessage();

    test.readMessage();

    }

    public void writeMessage() throws Exception {

    File file=new File(filename);

    file.deleteOnExit();

    file.createNewFile();

    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);

    MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("XYZ");

    ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(fos);

    String data = "This have I thought good to deliver thee, "+

    "that thou mightst not lose the dues of rejoicing " +

    "by being ignorant of what greatness is promised thee.";

    byte buf[] = data.getBytes();

    md.update(buf);

    oos.writeObject(data); // original message

    oos.writeObject(md.digest()); // digest

    oos.close();

    }

    public void readMessage() throws Exception{

    File file=new File(filename);

    FileInputStream fis=new FileInputStream(file);

    ObjectInputStream is=new ObjectInputStream(fis);

    Object o = ois.readObject(); // String data: original message

    if (!(o instanceof String)) {

    System.out.println("Unexpected data in file");

    System.exit(-1);

    }

    String data = (String) o;

    System.out.println("Got message : " + data);

    o = ois.readObject(); // byte[] : digest

    if (!(o instanceof byte[])) {

    System.out.println("Unexpected data in file");

    System.exit(-1);

    }

    byte origDigest[] = (byte []) o;

    MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("XYZ");

    md.update(data.getBytes());

    if (MessageDigest.isEqual(md.digest(), origDigest))

    System.out.println("Message is valid");

    else

    System.out.println("Message was corrupted");

    MessageDigest md2 = MessageDigest.getInstance("SHA");

    md2.update(data.getBytes());

    if (MessageDigest.isEqual(md2.digest(), origDigest))

    System.out.println("Message is valid");

    else

    System.out.println("Message was corrupted");

    ois.close();

    }

    }

    在这个用例中，writeMessage()将一段字符串保存后并将生成的digest也保存。

    readMessage()将消息读取后，使用MessageDigest.isEqual()方法进行比较，这样可以知道文件是否被人改动过。

    而实际上利用私钥更新签名信息时，就是使用MessageDigest#update()方法的。

    4）Key 相关的服务

    Key包括公钥（PublicKey）、私钥（PrivateKey）两种。

    4.1 KeyPairGenerator

    这个服务用于生成PublicKey和PrivateKey。

    获取实例后，只需要根据上面4种initialize方法进行初始化后，就可以生成KeyPair了。

    @Test

    public void generateKeyPair() throws Exception {

    // 算法名称有规定的值，不能乱写的

    KeyPairGenerator dsaKeyPairGenerator=KeyPairGenerator.getInstance("dsa");

    SecureRandom random=SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG","SUN");

    random.setSeed(new byte[]{1,2,3,4});

    /**

    * jdk8: key必须在[512,1024]之间,并且是64的倍数。有的JDK版本要求是8的倍数，这要根据实际情况和需求设定

    */

    dsaKeyPairGenerator.initialize(576, random);

    KeyPair keyPair=dsaKeyPairGenerator.generateKeyPair();

    DSAPublicKey puk=(DSAPublicKey)keyPair.getPublic();

    DSAPrivateKey pik=(DSAPrivateKey)keyPair.getPrivate();

    System.out.println(puk.getFormat());

    System.out.println(pik.getFormat());

    System.out.println(puk);

    System.out.println(pik);

    }

    第一次调用generateKeyPair()都会生成不同的KeyPair。KeyPairGenerator 每次生成的都是一个KeyPair。

    4.2 KeyFactory

    KeyFactory用于在Key与KeySpec之间转换，即可以根据key获取到KeySpec，也可以根据KeySpec获取Key。

    package com.fjn.security.key;

    import java.io.File;

    import java.io.FileInputStream;

    import java.io.FileOutputStream;

    import java.io.ObjectInputStream;

    import java.io.ObjectOutputStream;

    import java.math.BigInteger;

    import java.security.KeyFactory;

    import java.security.KeyPair;

    import java.security.KeyPairGenerator;

    import java.security.PublicKey;

    import java.security.SecureRandom;

    import java.security.spec.DSAPublicKeySpec;

    import org.junit.Test;

    public class KeyFactoryTest {

    private static final String DSA="DSA";

    private static final String keyspecFile="keyspec.text";

    @Test

    public void genenatePublicKey() throws Exception{

    writeKeySpec();

    readKeySpec();

    }

    private void writeKeySpec() throws Exception {

    File file=new File(keyspecFile);

    file.deleteOnExit();

    file.createNewFile();

    KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance(DSA);

    keyGen.initialize(512, new SecureRandom());

    KeyPair keyPair=keyGen.generateKeyPair();

    KeyFactory factory=KeyFactory.getInstance(DSA);

    DSAPublicKeySpec keySpec=factory.getKeySpec(keyPair.getPublic(), DSAPublicKeySpec.class);

    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);

    ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(fos);

    oos.writeObject(keySpec.getY());

    oos.writeObject(keySpec.getP());

    oos.writeObject(keySpec.getQ());

    oos.writeObject(keySpec.getG());

    oos.flush();

    oos.close();

    }

    private void readKeySpec() throws Exception {

    KeyFactory factory=KeyFactory.getInstance(DSA);

    FileInputStream fis = new FileInputStream(keyspecFile);

    ObjectInputStream is = new ObjectInputStream(fis);

    DSAPublicKeySpec keySpec = new DSAPublicKeySpec(

    (BigInteger) ois.readObject(),

    (BigInteger) ois.readObject(),

    (BigInteger) ois.readObject(),

    (BigInteger) ois.readObject());

    ois.close();

    PublicKey puk=factory.generatePublic(keySpec);

    System.out.println("Got private key:\n"+puk);

    }

    }

    5）Cert相关的服务

    从上一篇的例子中知道，用户使用的Public Key有可能被不法分子偷偷地窜改，这样用户就得不到应有的服务，也会受到不法分子的危害。如何保证public key不被窜改或者替换呢？认证服务就出现了。

    5.1 CertificateFactory

    用于生成Certificate或者CRL的。

    FileInputStream fis = new FileInputStream(filename);

    BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);

    CertificateFactory cf = CertificateFactory.getInstance("X.509");

    while (bis.available() > 0) {

    Certificate cert = cf.generateCertificate(bis);

    System.out.println(cert.toString());

    }

    什么是CRL ？

    一个证书颁发机构需要证书吊销其颁发的证书——也许是虚假的,或者证书的用户已经使用证书从事非法行为。在这样的情况下,证书的有效期不足保护;证书必须立即失效。

    下面的这个例子就是在验证完证书的有效性后，判断这个证书是否是一个吊销的证书。

    View Code

    5.2 CertPathBuilder构建证书链CertPath

    CertPath就是之前说的证书链。其实就是一个Certificate的有序列表。在列表的最后的一个Cert是一个自签名的Cert。

    5.3 CertPathValidator验证Cert链

    CertPathValidator用于校验Cert。

    6）KeyStore

    一个KeyStore是一个key、cert的库，里面存储了PrivateKey, Aliases, Certs.

    KeyStore将会有专门的说明。

    7）Signature签名

    用私钥签名，用公钥验证：

    public class SignatureTest {

    @Test

    public void test() throws Exception{

    KeyPairGenerator keyPairGen=KeyPairGenerator.getInstance(Message.alogthem);

    keyPairGen.initialize(1024);

    KeyPair keyPair= keyPairGen.generateKeyPair();

    PublicKey puk=keyPair.getPublic();

    PrivateKey pik=keyPair.getPrivate();

    String data="Hello, Java.";

    Signature signature=Signature.getInstance("SHA1withDSA");

    // private key sign

    signature.initSign(pik);

    signature.update(data.getBytes());

    byte[] signinfo=signature.sign();

    // public key resolve sign

    signature.initVerify(puk);

    boolean k=signature.verify(signinfo);

    System.out.println(ok);

    signature.update(data.getBytes());

    k=signature.verify(signinfo);

    System.out.println(ok);

    }

    }

链接：http://www.shangxueba.com/jingyan/2916990.html