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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 fs1194361820@163.com */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 fs1194361820@163.com * */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 fs1194361820@163.com */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 oos = 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 ois=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 oos = 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 ois = 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。
public Certificate importCertificate(byte data[]) throws CertificateException { X509Certificate c = null; try { CertificateFactory cf = CertificateFactory.getInstance("X509"); ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(data); c = (X509Certificate) cf.generateCertificate(bais); Principal p = c.getIssuerDN(); PublicKey pk = getPublicKey(p); c.verify(pk); InputStream crlFile = lookupCRLFile(p); cf = CertificateFactory.getInstance("X509CRL"); X509CRL crl = (X509CRL) cf.generateCRL(crlFile); if (crl.isRevoked(c)) throw new CertificateException("Certificate revoked"); } catch (NoSuchAlgorithmException nsae) { throw new CertificateException("Can‘t verify certificate"); } catch (NoSuchProviderException nspe) { throw new CertificateException("Can‘t verify certificate"); } catch (SignatureException se) { throw new CertificateException("Can‘t verify certificate"); } catch (InvalidKeyException ike) { throw new CertificateException("Can‘t verify certificate"); } catch (CRLException ce) { // treat as no crl } return c;}
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 ok=signature.verify(signinfo); System.out.println(ok); signature.update(data.getBytes()); ok=signature.verify(signinfo); System.out.println(ok); } }
到此，JCA部分的engine class已经大体上有个了解了。接下来就是要学习如何应用它们了。
Java Security：Java加密框架(JCA)简要说明