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1 密码学相关概念

1.1 明文、密文、密钥、加密、解密

明文：指没有经过加密的信息/数据。
密文：明文被加密算法加密之后，会变成密文，以确保数据安全。
密钥：是一种参数，它是在明文转换为密文或将密文转换为明文的算法中输入的参数。密钥分为对称密钥与非对称密钥。
加密：将明文变成密文的过程。
解密：将密文还原为明文的过程。

1.2 对称加密、非对称加密

对称加密：加密和解密使用相同密钥的加密算法

非对称加密：非对称加密算法需要两个密钥（公开密钥和私有密钥）。公钥与私钥是成对存在的，如果用公钥对数据进行加密，只有对应的私钥才能解密。

1.3 什么是公钥私钥？

公钥与私钥是成对存在的密钥，如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密。
其实，公钥就是公开的秘钥，私钥就是要你私自保存好的秘钥。
非对称加密算法需要有一对公私钥~

假设你有一个文件，你用字母a加密，只有字母b才能解密;或者你用b加密，只有a才能解密，那么a和b就是一对公私钥。如果密钥a公开，密钥b你就要私自保存好啦，这时候密钥a就是公钥，密钥b就是私钥。相反，如果b公开，a就要保存好，这时候呢，秘钥b就是公钥，秘钥a就是私钥

2 加签验签概念

「加签」：用Hash函数把原始报文生成报文摘要，然后用私钥对这个摘要进行加密，就得到这个报文对应的数字签名。通常来说呢，请求方会把「数字签名和报文原文」一并发送给接收方。

「验签」：接收方拿到原始报文和数字签名后，用「同一个Hash函数」从报文中生成摘要A。另外，用对方提供的公钥对数字签名进行解密，得到摘要B，对比A和B是否相同，就可以得知报文有没有被篡改过。

3 为什么需要加签验签

上小节中，加签和验签我们已经知道概念啦，那么，为什么需要加签和验签呢？有些朋友可能觉得，我们不是用「公钥加密，私钥解密」就好了嘛？
接下来呢，举个demo吧。

假设现在有A公司，要接入C公司的转账系统。在一开始呢，C公司把自己的公钥寄给A公司，自己收藏好私钥。A公司这边的商户，发起转账时，A公司先用C公司的公钥，对请求报文加密，加密报文到达C公司的转账系统时，C公司就用自己的私钥把报文揭开。假设在加密的报文在传输过程中，被中间人Actor获取了，他也郁闷，因为他没有私钥，看着天鹅肉，又吃不了。本来想修改报文，给自己账号转一个亿的，哈哈。这个实现方式看起来是天衣无缝，稳得一匹的。

但是呢，如果一开始，C公司把公钥发给公司A的时候，就被中间人Actor获取到呢，酱紫就出问题了。

中间人Actor截取了C的公钥，他把自己的公钥发给了A公司，A误以为这就是C公司的公钥。A在发起转账时，用Actor的公钥，对请求报文加密，加密报文到在传输过程，Actor又截取了，这时候，他用自己的私钥解密，然后修改了报文（给自己转一个亿），再用C的公钥加密，发给C公司，C公司收到报文后，继续用自己的私钥解密。最后是不是A公司的转账账户损失了一个亿呢~

C公司是怎么区分报文是不是来自A呢，还是被中间人修改过呢？为了表明身份和报文真实性，这就需要「加签验签」啦！

A公司把自己的公钥也发送给C公司，私钥自己保留着。在发起转账时，先用自己的私钥对请求报文加签，于是得到自己的数字签名。再把数字签名和请求报文一起发送给C公司。C公司收到报文后，拿A的公钥进行验签，如果原始报文和数字签名的摘要内容不一致，那就是报文被篡改啦~

有些朋友可能有疑问，假设A在发自己的公钥给C公司的时候，也被中间人Actor截取了呢。嗯嗯，我们来模拟一波Actor又截取了公钥，看看Actor能干出什么事情来~哈哈

假设Actor截取到A的公钥后，随后也截取了到A发往C的报文。他截取到报文后，第一件想做的事肯定是修改报文内容。但是如果单单修改原始报文是不可以的，因为发过去C公司肯定验签不过啦。但是呢，数字签名似乎解不开，因为消息摘要算法（hash算法）无法逆向解开的，只起验证的作用呢…

所以呢，公钥与私钥是用来加密与加密的，「加签与验签是用来证明身份」，以免被篡改的。

4 常见加密相关算法简介

4.1 消息摘要算法

• 相同的明文数据经过相同的消息摘要算法会得到相同的密文结果值。
• 数据经过消息摘要算法处理，得到的摘要结果值，是无法还原为处理前的数据的。
• 数据摘要算法也被称为哈希（Hash）算法或散列算法。
• 消息摘要算法一般用于签名验签。

消息摘要算法主要分三类：MD（Message Digest，消息摘要算法）、SHA（Secure Hash Algorithm，安全散列算法）和MAC（Message Authentication Code，消息认证码算法）。

4.1.1 MD家族算法

MD（Message Digest，消息摘要算法）家族，包括MD2，MD4，MD5。

• MD2，MD4，MD5 计算的结果都是是一个128位（即16字节）的散列值，用于确保信息传输完整一致。
• MD2的算法较慢但相对安全，MD4速度很快，但安全性下降，MD5则比MD4更安全、速度更快
• MD5被广泛应用于数据完整性校验、数据（消息）摘要、数据加密等。
• MD5，可以被破解，对于需要高度安全性的数据，专家一般建议改用其他算法，如SHA-2。2004年，证实MD5算法无法防止碰撞攻击，因此不适用于安全性认证，如SSL公开密钥认证或是数字签名等用途。

举个例子，看看如何获取字符串的MD5值吧：

public class MD5Test {public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {String s = "123";byte[] result = getMD5Bytes(s.getBytes());StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();for (byte temp : result) {if (temp >= 0 && temp < 16) {stringBuilder.append("0");}stringBuilder.append(Integer.toHexString(temp & 0xff));}System.out.println(s + ",MD5加密后:" + stringBuilder.toString());}private static byte[] getMD5Bytes(byte[] content) {try {MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");return md5.digest(content);} catch (NoSuchAlgorithmException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

运行结果：

123,MD5加密后:202cb962ac59075b964b07152d234b70

4.1.2 ShA家族算法

SHA（Secure Hash Algorithm，安全散列算法），包括SHA-0、SHA-1、SHA-2(SHA-256,SHA-512,SHA-224,SHA-384等)、SHA-3。它是在MD算法基础上实现的，与MD算法区别在于「摘要长度」，SHA 算法的摘要「长度更长，安全性更高」。

SHA-0发布之后很快就被NSA撤回，因为含有会降低密码安全性的错误，它是SHA-1的前身。
SHA-1在许多安全协议中广为使用，包括TLS、GnuPG、SSH、S/MIME和IPsec，是MD5的后继者。
SHA-2包括SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。它的算法跟SHA-1基本上相似，目前还没有出现明显弱点。
SHA-3是2015年正式发布，由于对「MD5出现成功的破解」，以及对SHA-0和SHA-1出现理论上破解的方法，SHA-3应运而生。它与之前算法不同的是，它是可替换的加密散列算法。

SHA-1、SHA-2(SHA-256,SHA-512,SHA-224,SHA-384)等算法是比较常用的，我们来看看跟MD5的对比吧

算法类型	摘要长度（bits）	最大输入消息长度（bits）	碰撞攻击（bits）	性能示例(MiB/s)
MD5	128	无限	≤18（发现碰撞）	335
SHA-1	160	2^64 − 1	<63（发现碰撞）	192
SHA-224	224	2^64 − 1	112	139
SHA-256	256	2^64 − 1	128	139
SHA-384	384	2^128 − 1	192	154
SHA-512	512	2^128 − 1	256	154

4.1.3 MAC算法家族

MAC算法 MAC（Message Authentication Code，消息认证码算法），是带密钥的Hash函数。输入密钥和消息，输出一个消息摘要。它集合了MD和SHA两大系列消息摘要算法。

• MD 系列算法: HmacMD2、HmacMD4 和 HmacMD5 ； SHA
• 系列算法：HmacSHA1、HmacSHA224、HmacSHA256、HmacSHA384 和 HmacSHA512 。

4.2 对称加密算法

加密和解密使用「相同密钥」的加密算法就是对称加密算法。常见的对称加密算法有AES、3DES、DES、RC5、RC6等。

4.2.1 DES

数据加密标准（英语：Data Encryption Standard，缩写为 DES）是一种对称密钥加密块密码算法。DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。

• Key: 7个字节共56位，是DES算法的工作密钥；
• Data: 8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；
• Mode: 加密或解密。

4.2.2 3DES

三重数据加密算法（英语：Triple Data Encryption Algorithm，又称3DES（Triple DES），是一种对称密钥加密块密码，相当于是对每个数据块应用三次数据加密标准（DES）算法。

4.2.3 AES

AES，高级加密标准（英语：Advanced Encryption Standard），在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。

• 采用对称分组密码体制，密钥长度为 128 位、 192 位、256 位，分组长度128位
• 相对于DES ，AES具有更好的 安全性、效率 和 灵活性。

4.3 非对称加密算法

非对称加密算法需要两个密钥：公钥和私钥。公钥与私钥是成对存在的，如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密。主要的非对称加密算法有：RSA、Elgamal、DSA、D-H、ECC。

4.3.1 RSA算法

• RSA加密算法是一种非对称加密算法,广泛应用于加密和数字签名
• RSA算法原理：两个大素数的乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。
• RSA是被研究得最广泛的公钥算法，从提出到现在，经历了各种攻击的考验，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。

4.3.2 DSA

• DSA(Digital Signature Algorithm,数字签名算法),也是一种非对称加密算法。
• DSA和RSA区别在，DSA仅用于数字签名，不能用于数据加密解密。其安全性和RSA相当，但其性能要比RSA好。

4.3.3 ECC 算法

• ECC（Elliptic Curves Cryptography，椭圆曲线密码编码学），基于椭圆曲线加密。
• Ecc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。
• 它的一个缺点是，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)。

4.4 国密算法

国密即国家密码局认定的国产密码算法。为了保障商用密码的安全性，国家商用密码管理办公室制定了一系列密码标准，即SM1，SM2，SM3，SM4等国密算法。

4.4.1 SM1

• SM1，为对称加密算法，加密强度为128位，基于硬件实现。
• SM1的加密强度和性能，与AES相当。

4.4.2 SM2

• SM2主要包括三部分：签名算法、密钥交换算法、加密算法
• SM2用于替换RSA加密算法，基于ECC，效率较低。

4.4.3 SM3

• SM3，即国产消息摘要算法。
• 适用于商用密码应用中的数字签名和验证，消息认证码的生成与验证以及随机数的生成。

4.4.4 SM4

• SM4是一个分组算法，用于无线局域网产品。
• 该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特。
• 加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构。
• 解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。
  它的功能类似国际算法的DES。

5 加签验签相关Java的API

这个小节先介绍一下加签验签需要用到的API吧~

5.1 加签相关API

- java.security.Signature.getInstance(String algorithm); //根据对应算法，初始化签名对象
- KeyFactory.getInstance(String algorithm);// 根据对应算法,生成KeyFactory对象
- KeyFactory.generatePrivate(KeySpec keySpec); //生成私钥
- java.security.Signature.initSign(PrivateKey privateKey) //由私钥，初始化加签对象
- java.security.Signature.update(byte[] data)  //把原始报文更新到加签对象
- java.security.Signature.sign();//加签

• 「Signature.getInstance(String algorithm);」
  根据对应算法，初始化签名对象
  algorithm参数可以取SHA256WithRSA或者MD5WithRSA等参数，SHA256WithRSA表示生成摘要用的是SHA256算法，签名加签用的是RSA算法

• 「KeyFactory.getInstance(String algorithm);」
  根据对应算法,生成KeyFactory对象，比如你的公私钥用的是RSA算法，那么就传入RSA

• 「KeyFactory.generatePrivate(KeySpec keySpec)」
  生成私钥，加签用的是私钥哈，所以需要通过KeyFactory先构造一个私钥对象。

• 「Signature.initSign(PrivateKey privateKey)」
  加签用的是私钥，所以传入私钥，初始化加签对象

• 「Signature.update(byte[] data)」
  把原始报文更新到加签对象

• 「java.security.Signature.sign();」
  进行加签操作

5.2 验签相关API

- java.security.Signature.getInstance(String algorithm); //根据对应算法，初始化签名对象
- KeyFactory.getInstance(String algorithm);// 根据对应算法,生成KeyFactory对象
- KeyFactory.generatePublic(KeySpec keySpec); //生成公钥
- java.security.Signature.initVerify(publicKey); //由公钥，初始化验签对象
- java.security.Signature.update(byte[] data)  //把原始报文更新到验签对象
- java.security.Signature.verify(byte[] signature);//验签

• 「Signature.getInstance(String algorithm)」
  根据对应算法，初始化签名对象，注意验签和加签是需要用相同的algorithm算法参数哦~
• 「KeyFactory.getInstance(String algorithm);」
  根据对应算法,生成KeyFactory对象
• 「KeyFactory.generatePublic(KeySpec keySpec);」
  生成公钥，验签用的是公钥，通过KeyFactory先构造一个公钥对象
• 「Signature.initVerify(publicKey);」
  公钥验签，所以传入公钥对象参数，初始化验签对象
• 「Signature.update(byte[] data)」
  把原始报文更新到加签对象
• 「Signature.verify(byte[] signature);」
  进行验签操作

6 加签验签代码实现

前几个小节讨论完概念，是时候上代码实战了，我这边用的是SHA-256作为摘要算法，RSA作为签名验签算法，如下：

package pattern;import sun.misc.BASE64Decoder;
import sun.misc.BASE64Encoder;import java.io.IOException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.*;
import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;/*** 加签验签demo*  @Author 捡田螺的小男孩*/
public class SignatureTest {//公钥字符串private static final String PUBLIC_KEY_STR = "MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQDaJzVjC5K6kbS2YE2fiDs6H8pB\n" +"JFDGEYqqJJC9I3E0Ebr5FsofdImV5eWdBSeADwcR9ppNbpORdZmcX6SipogKx9PX\n" +"5aAO4GPesroVeOs91xrLEGt/arteW8iSD+ZaGDUVV3+wcEdci/eCvFlc5PUuZJou\n" +"M2XZaDK4Fg2IRTfDXQIDAQAB";//私钥字符串private static final String PRIVATE_KEY_STR = "MIICdQIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCAl8wggJbAgEAAoGBANonNWMLkrqRtLZg\n" +"TZ+IOzofykEkUMYRiqokkL0jcTQRuvkWyh90iZXl5Z0FJ4APBxH2mk1uk5F1mZxf\n" +"pKKmiArH09floA7gY96yuhV46z3XGssQa39qu15byJIP5loYNRVXf7BwR1yL94K8\n" +"WVzk9S5kmi4zZdloMrgWDYhFN8NdAgMBAAECgYA9bz1Bn0i68b2KfqRdgOfs/nbe\n" +"0XNN1DLQp2t7WDfRCg01iI1zPkZgyFVZWtI85f5/uIrLs5ArLosL1oNuqqc0nNne\n" +"CvJK+ZxvA98Hx3ZqYTzDnleR054YhofL5awbhSciYVic204DOG1rhSsYWMqtX7J7\n" +"3geoWL7TYdMfYXcCAQJBAPMMKsz6ZJh98EeQ1tDG5gpAGWFQkYNrxZDelP/LjeO0\n" +"TP3XkQnIpcaZoCs7V/rRGRGMWwQ2BUdc/01in89ZZ5ECQQDlx2oBc1CtOAm2UAhN\n" +"1xWrPkZWENQ53wTrwXO4qbTGDfBKon0AehLlGCSqxQ71aufLkNO7ZlX0IHTAlnk1\n" +"TvENAkAGSEQ69CXxgx/Y2beTwfBkR2/gghKg0QJUUkyLqBlMz3ZGAXJwTE1sqr/n\n" +"HiuSAiGhwH0ByNuuEotO1sPGukrhAkAMK26a2w+nzPL+u+hkrwKPykGRZ1zGH+Cz\n" +"19AYNKzFXJGgclCqiMydY5T1knBDYUEbj/UW1Mmyn1FvrciHoUG1AkAEMEIuDauz\n" +"JabEAU08YmZw6OoDGsukRWaPfjOEiVhH88p00veM1R37nwhoDMGyEGXVeVzNPvk7\n" +"cELg28MSRzCK";public static void main(String[] args) throws SignatureException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException, IOException, InvalidKeySpecException {//原始报文String plain = "我是一个报文";//加签byte[] signatureByte = sign(plain);System.out.println("原始报文是:" + plain);System.out.println("加签结果:");System.out.println(new BASE64Encoder().encode(signatureByte));//验签boolean verifyResult = verify(plain, signatureByte);System.out.println("验签结果:" + verifyResult);}/*** 加签方法* @param plain* @return* @throws NoSuchAlgorithmException* @throws InvalidKeyException* @throws UnsupportedEncodingException* @throws SignatureException*/private static byte[] sign(String plain) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException, UnsupportedEncodingException, SignatureException {//根据对应算法，获取签名对象实例Signature signature = Signature.getInstance("SHA256WithRSA");//获取私钥，加签用的是私钥，私钥一般是在配置文件里面读的，这里为了演示方便，根据私钥字符串生成私钥对象PrivateKey privateKey = getPriveteKey(PRIVATE_KEY_STR);//初始化签名对象signature.initSign(privateKey);//把原始报文更新到对象signature.update(plain.getBytes("UTF-8"));//加签return signature.sign();}/*** 验签方法* @param plain* @param signatureByte* @return* @throws NoSuchAlgorithmException* @throws InvalidKeyException* @throws IOException* @throws SignatureException* @throws InvalidKeySpecException*/private static boolean verify(String plain, byte[] signatureByte) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException, IOException, SignatureException, InvalidKeySpecException {//获取公钥PublicKey publicKey = getPublicKey(PUBLIC_KEY_STR);//根据对应算法，获取签名对象实例Signature signature = Signature.getInstance("SHA256WithRSA");//初始化签名对象signature.initVerify(publicKey);//把原始报文更新到签名对象signature.update(plain.getBytes("UTF-8"));//进行验签return signature.verify(signatureByte);}private static PublicKey getPublicKey(String publicKeyStr) throws InvalidKeySpecException, IOException {PublicKey publicKey = null;try {java.security.spec.X509EncodedKeySpec bobPubKeySpec = new java.security.spec.X509EncodedKeySpec(new BASE64Decoder().decodeBuffer(publicKeyStr));// RSA对称加密算法java.security.KeyFactory keyFactory;keyFactory = java.security.KeyFactory.getInstance("RSA");// 生成公钥对象publicKey = keyFactory.generatePublic(bobPubKeySpec);} catch (NoSuchAlgorithmException e) {e.printStackTrace();}return publicKey;}private static PrivateKey getPriveteKey(String privateKeyStr) {PrivateKey privateKey = null;PKCS8EncodedKeySpec priPKCS8;try {priPKCS8 = new PKCS8EncodedKeySpec(new BASE64Decoder().decodeBuffer(privateKeyStr));KeyFactory keyf = KeyFactory.getInstance("RSA");privateKey = keyf.generatePrivate(priPKCS8);} catch (IOException | NoSuchAlgorithmException | InvalidKeySpecException e) {e.printStackTrace();}return privateKey;}
}