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;elsehs = 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"));}
}

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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*/@Overrideprotected 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;}}@Overrideprotected 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。*/@Overrideprotected 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*/@Overrideprotected void engineReset() {hash = 0;store = 0;count = 0;        }}

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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 messageoos.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 messageif (!(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[] : digestif (!(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();}
}

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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。

@Testpublic 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);}

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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";@Testpublic 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);}
}

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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;
}

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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 {@Testpublic 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);}}

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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。

转载于:https://www.cnblogs.com/f1194361820/p/4262507.html