程序员必备基础：加签验签

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密码学相关概念

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。

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。

 

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。❞

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。

 

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。

常见加密相关算法简介

• 消息摘要算法
• 对称加密算法
• 非对称加密算法
• 国密算法

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)。

 

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 

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

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 。

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。

 

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。

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。

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。

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。

 

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。

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。

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)。

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。

 

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。

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。

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。

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。

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~

 

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

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

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 = "欢迎大家关注我的公众号，捡田螺的小男孩"; 
        //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; 
    } 
} 

「运行结果:」

原始报文是:欢迎大家关注我的公众号，捡田螺的小男孩 
加签结果: 
Oz15/aybGe42eGHbc+iMoSYHSCc8tfRskTVjjGSTPD4HjadL0CC5JUWNUW0WxHjUb4MvxWo2oeWE 
Qw0+m61d+JgBMto/TWcVDcgwL/AbObsbWdQ6E/fVRqG13clkE8MyKsjt9Z7tcbwpycYTv0rUR4co 
rndAVfBdtv5KeV+OXqM= 
验签结果:true 

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