程序員必備基礎：加簽驗簽
密碼學相關概念
明文、密文、密鑰、加密、解密
- 明文：指沒有經過加密的信息/數據。
- 密文：明文被加密算法加密之后，會變成密文，以確保數據安全。
- 密鑰：是一種參數，它是在明文轉換為密文或將密文轉換為明文的算法中輸入的參數。密鑰分為對稱密鑰與非對稱密鑰。
- 加密：將明文變成密文的過程。
- 解密：將密文還原為明文的過程。
對稱加密、非對稱加密
對稱加密：加密和解密使用相同密鑰的加密算法。
非對稱加密：非對稱加密算法需要兩個密鑰(公開密鑰和私有密鑰)。公鑰與私鑰是成對存在的，如果用公鑰對數據進行加密，只有對應的私鑰才能解密。
什么是公鑰私鑰?
公鑰與私鑰是成對存在的密鑰，如果用公鑰對數據進行加密，只有用對應的私鑰才能解密。
其實，公鑰就是公開的秘鑰，私鑰就是要你私自保存好的秘鑰。
非對稱加密算法需要有一對公私鑰~
❝假設你有一個文件，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就是一對公私鑰。如果密鑰a公開，密鑰b你就要私自保存好啦，這時候密鑰a就是公鑰，密鑰b就是私鑰。相反，如果b公開，a就要保存好，這時候呢，秘鑰b就是公鑰，秘鑰a就是私鑰。❞
加簽驗簽概念
「加簽」：用Hash函數把原始報文生成報文摘要，然后用私鑰對這個摘要進行加密，就得到這個報文對應的數字簽名。通常來說呢，請求方會把「數字簽名和報文原文」一并發送給接收方。
「驗簽」：接收方拿到原始報文和數字簽名后，用「同一個Hash函數」從報文中生成摘要A。另外，用對方提供的公鑰對數字簽名進行解密，得到摘要B，對比A和B是否相同，就可以得知報文有沒有被篡改過。
為什么需要加簽驗簽
上小節中，加簽和驗簽我們已經知道概念啦，那么，為什么需要加簽和驗簽呢?有些朋友可能覺得，我們不是用「公鑰加密，私鑰解密」就好了嘛?
接下來呢，舉個demo吧。
❝假設現在有A公司，要接入C公司的轉賬系統。在一開始呢，C公司把自己的公鑰寄給A公司，自己收藏好私鑰。A公司這邊的商戶，發起轉賬時，A公司先用C公司的公鑰，對請求報文加密，加密報文到達C公司的轉賬系統時，C公司就用自己的私鑰把報文揭開。假設在加密的報文在傳輸過程中，被中間人Actor獲取了，他也郁悶，因為他沒有私鑰，看著天鵝肉，又吃不了。本來想修改報文，給自己賬號轉一個億的，哈哈。這個實現方式看起來是天衣無縫，穩得一匹的。❞
但是呢，如果一開始，C公司把公鑰發給公司A的時候，就被中間人Actor獲取到呢，醬紫就出問題了。
❝中間人Actor截取了C的公鑰，他把自己的公鑰發給了A公司，A誤以為這就是C公司的公鑰。A在發起轉賬時，用Actor的公鑰，對請求報文加密，加密報文到在傳輸過程，Actor又截取了，這時候，他用自己的私鑰解密，然后修改了報文(給自己轉一個億)，再用C的公鑰加密，發給C公司，C公司收到報文后，繼續用自己的私鑰解密。最后是不是A公司的轉賬賬戶損失了一個億呢~❞
C公司是怎么區分報文是不是來自A呢，還是被中間人修改過呢?為了表明身份和報文真實性，這就需要「加簽驗簽」啦!
❝A公司把自己的公鑰也發送給C公司，私鑰自己保留著。在發起轉賬時，先用自己的私鑰對請求報文加簽，于是得到自己的數字簽名。再把數字簽名和請求報文一起發送給C公司。C公司收到報文后，拿A的公鑰進行驗簽，如果原始報文和數字簽名的摘要內容不一致，那就是報文被篡改啦~❞
有些朋友可能有疑問，假設A在發自己的公鑰給C公司的時候，也被中間人Actor截取了呢。嗯嗯，我們來模擬一波Actor又截取了公鑰，看看Actor能干出什么事情來~哈哈
❝假設Actor截取到A的公鑰后，隨后也截取了到A發往C的報文。他截取到報文后，第一件想做的事肯定是修改報文內容。但是如果單單修改原始報文是不可以的，因為發過去C公司肯定驗簽不過啦。但是呢，數字簽名似乎解不開，因為消息摘要算法(hash算法)無法逆向解開的，只起驗證的作用呢....❞
所以呢，公鑰與私鑰是用來加密與加密的，「加簽與驗簽是用來證明身份」，以免被篡改的。
常見加密相關算法簡介
- 消息摘要算法
- 對稱加密算法
- 非對稱加密算法
- 國密算法
消息摘要算法：
- 相同的明文數據經過相同的消息摘要算法會得到相同的密文結果值。
- 數據經過消息摘要算法處理，得到的摘要結果值，是無法還原為處理前的數據的。
- 數據摘要算法也被稱為哈希(Hash)算法或散列算法。
- 消息摘要算法一般用于簽名驗簽。
消息摘要算法主要分三類：MD(Message Digest，消息摘要算法)、SHA(Secure Hash Algorithm，安全散列算法)和MAC(Message Authentication Code，消息認證碼算法)。
MD家族算法
MD(Message Digest，消息摘要算法)家族，包括MD2，MD4，MD5。
- MD2，MD4，MD5 計算的結果都是是一個128位(即16字節)的散列值，用于確保信息傳輸完整一致。
- MD2的算法較慢但相對安全，MD4速度很快，但安全性下降，MD5則比MD4更安全、速度更快。
- MD5被廣泛應用于數據完整性校驗、數據(消息)摘要、數據加密等。
- MD5，可以被破解，對于需要高度安全性的數據，專家一般建議改用其他算法，如SHA-2。2004年，證實MD5算法無法防止碰撞攻擊，因此不適用于安全性認證，如SSL公開密鑰認證或是數字簽名等用途。
舉個例子，看看如何獲取字符串的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);
- }
- }
- }
運行結果：
- 123,MD5加密后:202cb962ac59075b964b07152d234b70
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算法基礎上實現的，與MD算法區別在于「摘要長度」，SHA 算法的摘要「長度更長，安全性更高」。
❝SHA-0發布之后很快就被NSA撤回，因為含有會降低密碼安全性的錯誤，它是SHA-1的前身。
SHA-1在許多安全協議中廣為使用，包括TLS、GnuPG、SSH、S/MIME和IPsec，是MD5的后繼者。
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，目前還沒有出現明顯弱點。
SHA-3是2015年正式發布，由于對「MD5出現成功的破解」，以及對SHA-0和SHA-1出現理論上破解的方法，SHA-3應運而生。它與之前算法不同的是，它是可替換的加密散列算法。❞
SHA-1、SHA-2(SHA-256,SHA-512,SHA-224,SHA-384)等算法是比較常用的，我們來看看跟MD5的對比吧
| 算法類型 | 摘要長度（bits） | 最大輸入消息長度（bits） | 碰撞攻擊（bits） | 性能示例(MiB/s) |
|---|---|---|---|---|
| MD5 | 128 | 無限 | ≤18（發現碰撞） | 335 |
| SHA-1 | 160 | 2^64 − 1 | <63（發現碰撞） | 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 |
MAC算法家族
MAC算法 MAC(Message Authentication Code，消息認證碼算法)，是帶密鑰的Hash函數。輸入密鑰和消息，輸出一個消息摘要。它集合了MD和SHA兩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 。
對稱加密算法
加密和解密使用「相同密鑰」的加密算法就是對稱加密算法。常見的對稱加密算法有AES、3DES、DES、RC5、RC6等。
DES
數據加密標準(英語：Data Encryption Standard，縮寫為 DES)是一種對稱密鑰加密塊密碼算法。DES算法的入口參數有三個：Key、Data、Mode。
Key: 7個字節共56位，是DES算法的工作密鑰;
Data: 8個字節64位，是要被加密或被解密的數據;
Mode: 加密或解密。
3DES
三重數據加密算法(英語：Triple Data Encryption Algorithm，又稱3DES(Triple DES)，是一種對稱密鑰加密塊密碼，相當于是對每個數據塊應用三次數據加密標準(DES)算法。
AES
AES，高級加密標準(英語：Advanced Encryption Standard)，在密碼學中又稱Rijndael加密法，是美國聯邦政府采用的一種區塊加密標準。
采用對稱分組密碼體制，密鑰長度為 128 位、 192 位、256 位，分組長度128位
相對于DES ，AES具有更好的 安全性、效率 和 靈活性。
非對稱加密算法
非對稱加密算法需要兩個密鑰：公鑰和私鑰。公鑰與私鑰是成對存在的，如果用公鑰對數據進行加密，只有用對應的私鑰才能解密。主要的非對稱加密算法有：RSA、Elgamal、DSA、D-H、ECC。
RSA算法
RSA加密算法是一種非對稱加密算法,廣泛應用于加密和數字簽名
RSA算法原理：兩個大素數的乘積進行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密密鑰。
RSA是被研究得最廣泛的公鑰算法，從提出到現在，經歷了各種攻擊的考驗，普遍認為是目前最優秀的公鑰方案之一。
DSA
DSA(Digital Signature Algorithm,數字簽名算法),也是一種非對稱加密算法。
DSA和RSA區別在，DSA僅用于數字簽名，不能用于數據加密解密。其安全性和RSA相當，但其性能要比RSA好。
ECC 算法
ECC(Elliptic Curves Cryptography，橢圓曲線密碼編碼學)，基于橢圓曲線加密。
Ecc主要優勢是，在某些情況下，它比其他的方法使用更小的密鑰，比如RSA加密算法，提供相當的或更高等級的安全級別。
它的一個缺點是，加密和解密操作的實現比其他機制時間長 (相比RSA算法，該算法對CPU 消耗嚴重)。
國密算法
國密即國家密碼局認定的國產密碼算法。為了保障商用密碼的安全性，國家商用密碼管理辦公室制定了一系列密碼標準，即SM1，SM2，SM3，SM4等國密算法。
SM1
- SM1，為對稱加密算法，加密強度為128位，基于硬件實現。
- SM1的加密強度和性能，與AES相當。
SM2
- SM2主要包括三部分：簽名算法、密鑰交換算法、加密算法
- SM2用于替換RSA加密算法，基于ECC，效率較低。
SM3
- SM3，即國產消息摘要算法。
- 適用于商用密碼應用中的數字簽名和驗證，消息認證碼的生成與驗證以及隨機數的生成。
SM4
- SM4是一個分組算法，用于無線局域網產品。
- 該算法的分組長度為128比特，密鑰長度為128比特。
- 加密算法與密鑰擴展算法都采用32輪非線性迭代結構。
- 解密算法與加密算法的結構相同，只是輪密鑰的使用順序相反，解密輪密鑰是加密輪密鑰的逆序。
- 它的功能類似國際算法的DES。
加簽驗簽相關Java的API
這個小節先介紹一下加簽驗簽需要用到的API吧~
加簽相關API
- - java.security.Signature.getInstance(String algorithm); //根據對應算法，初始化簽名對象
- - KeyFactory.getInstance(String algorithm);// 根據對應算法,生成KeyFactory對象
- - KeyFactory.generatePrivate(KeySpec keySpec); //生成私鑰
- - java.security.Signature.initSign(PrivateKey privateKey) //由私鑰，初始化加簽對象
- - java.security.Signature.update(byte[] data) //把原始報文更新到加簽對象
- - java.security.Signature.sign();//加簽
「Signature.getInstance(String algorithm);」
- 根據對應算法，初始化簽名對象
- algorithm參數可以取SHA256WithRSA或者MD5WithRSA等參數，SHA256WithRSA表示生成摘要用的是SHA256算法，簽名加簽用的是RSA算法
「KeyFactory.getInstance(String algorithm);」
- 根據對應算法,生成KeyFactory對象，比如你的公私鑰用的是RSA算法，那么就傳入RSA
「KeyFactory.generatePrivate(KeySpec keySpec)」
- 生成私鑰，加簽用的是私鑰哈，所以需要通過KeyFactory先構造一個私鑰對象。
「Signature.initSign(PrivateKey privateKey)」
- 加簽用的是私鑰，所以傳入私鑰，初始化加簽對象
「Signature.update(byte[] data)」
- 把原始報文更新到加簽對象
「java.security.Signature.sign();」
- 進行加簽操作
驗簽相關API
- - java.security.Signature.getInstance(String algorithm); //根據對應算法，初始化簽名對象
- - KeyFactory.getInstance(String algorithm);// 根據對應算法,生成KeyFactory對象
- - KeyFactory.generatePublic(KeySpec keySpec); //生成公鑰
- - java.security.Signature.initVerify(publicKey); //由公鑰，初始化驗簽對象
- - java.security.Signature.update(byte[] data) //把原始報文更新到驗簽對象
- - java.security.Signature.verify(byte[] signature);//驗簽
「Signature.getInstance(String algorithm)」
- 根據對應算法，初始化簽名對象，注意驗簽和加簽是需要用相同的algorithm算法參數哦~
「KeyFactory.getInstance(String algorithm);」
- 根據對應算法,生成KeyFactory對象
「KeyFactory.generatePublic(KeySpec keySpec);」
- 生成公鑰，驗簽用的是公鑰，通過KeyFactory先構造一個公鑰對象
「Signature.initVerify(publicKey);」
- 公鑰驗簽，所以傳入公鑰對象參數，初始化驗簽對象
「Signature.update(byte[] data)」
- 把原始報文更新到加簽對象
「Signature.verify(byte[] signature);」
- 進行驗簽操作
加簽驗簽代碼實現前幾個小節討論完概念，是時候上代碼實戰了，我這邊用的是SHA-256作為摘要算法，RSA作為簽名驗簽算法，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;
- /**
- * 加簽驗簽demo
- * @Author 撿田螺的小男孩
- */
- public class SignatureTest {
- //公鑰字符串
- private static final String PUBLIC_KEY_STR = "MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQDaJzVjC5K6kbS2YE2fiDs6H8pB\n" +
- "JFDGEYqqJJC9I3E0Ebr5FsofdImV5eWdBSeADwcR9ppNbpORdZmcX6SipogKx9PX\n" +
- "5aAO4GPesroVeOs91xrLEGt/arteW8iSD+ZaGDUVV3+wcEdci/eCvFlc5PUuZJou\n" +
- "M2XZaDK4Fg2IRTfDXQIDAQAB";
- //私鑰字符串
- 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 {
- //原始報文
- String plain = "歡迎大家關注我的公眾號，撿田螺的小男孩";
- //加簽
- byte[] signatureByte = sign(plain);
- System.out.println("原始報文是:" + plain);
- System.out.println("加簽結果:");
- System.out.println(new BASE64Encoder().encode(signatureByte));
- //驗簽
- boolean verifyResult = verify(plain, signatureByte);
- System.out.println("驗簽結果:" + verifyResult);
- }
- /**
- * 加簽方法
- * @param plain
- * @return
- * @throws NoSuchAlgorithmException
- * @throws InvalidKeyException
- * @throws UnsupportedEncodingException
- * @throws SignatureException
- */
- private static byte[] sign(String plain) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException, UnsupportedEncodingException, SignatureException {
- //根據對應算法，獲取簽名對象實例
- Signature signature = Signature.getInstance("SHA256WithRSA");
- //獲取私鑰，加簽用的是私鑰，私鑰一般是在配置文件里面讀的，這里為了演示方便，根據私鑰字符串生成私鑰對象
- PrivateKey privateKey = getPriveteKey(PRIVATE_KEY_STR);
- //初始化簽名對象
- signature.initSign(privateKey);
- //把原始報文更新到對象
- signature.update(plain.getBytes("UTF-8"));
- //加簽
- return signature.sign();
- }
- /**
- * 驗簽方法
- * @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 {
- //獲取公鑰
- PublicKey publicKey = getPublicKey(PUBLIC_KEY_STR);
- //根據對應算法，獲取簽名對象實例
- Signature signature = Signature.getInstance("SHA256WithRSA");
- //初始化簽名對象
- signature.initVerify(publicKey);
- //把原始報文更新到簽名對象
- signature.update(plain.getBytes("UTF-8"));
- //進行驗簽
- 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對稱加密算法
- java.security.KeyFactory keyFactory;
- keyFactory = java.security.KeyFactory.getInstance("RSA");
- // 生成公鑰對象
- 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;
- }
- }
「運行結果:」
- 原始報文是:歡迎大家關注我的公眾號，撿田螺的小男孩
- 加簽結果:
- Oz15/aybGe42eGHbc+iMoSYHSCc8tfRskTVjjGSTPD4HjadL0CC5JUWNUW0WxHjUb4MvxWo2oeWE
- Qw0+m61d+JgBMto/TWcVDcgwL/AbObsbWdQ6E/fVRqG13clkE8MyKsjt9Z7tcbwpycYTv0rUR4co
- rndAVfBdtv5KeV+OXqM=
- 驗簽結果:true
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