Java 加密解密和数字签名_Java教程

在做项目中，只要涉及敏感信息，或者对安全有一定要求的场景，都需要对数据进行加密。在Java中原生API即可实现对称加密与非对称加密，并支持常用的加密算法。

Java 加密解密和数字签名

对称加密

对称加密使用单钥完成加解密，加密和解密采用相同的密钥。对称加密的速度快，常用于大量数据进行加密。主流的算法有：AES，3DES。

生成3DES密钥

/**
* 对称加密-3DES算法，取代旧的DES
*/
SecretKey desKey = KeyGenerator.getInstance("DESede").generateKey();

生成AES密钥

/**
* 生成AES算法的密钥
*/
SecretKey aesKey = KeyGenerator.getInstance("AES").generateKey();

保存密钥

对称密钥一般使用二进制保存

SecretKey desKey = KeyGenerator.getInstance("DESede").generateKey();
// 二进制密钥
byte[] bkey = desKey.getEncoded();
// 转成十六进制
String keyStr = Hex.byteCoverToString(bkey);

读取密钥

可以自己生成随机字符串转成byte数组生成密钥，注意byte长度不能小于24位。

// bkey是byte数组
DESedeKeySpec keySpec = new DESedeKeySpec(bkey);
// 读取AES密钥
SecretKey srtKey = SecretKeyFactory.getInstance("AES").generateSecret(keySpec);

Hex是我自己写的工具类。byte数组和十六进制互转的方法有很多，篇幅有限就不贴出来了。可以引入 Apache Commons Codec 工具类，提供Hex，Base64等常用方法。

非对称加密

非对称加密使用密钥对进行加密。一般使用私密加密，公钥解密，也可以反过来用。但自己加密的数据自己不能解，只能依靠对方解密，可以很好的防止单方面密钥泄露。常用的加密算法有：RSA，DSA。

生成密钥对

/**
* 可以传RSA或DSA算法
*/
KeyPair keyPair = KeyPairGenerator.getInstance("RSA").generateKeyPair();
// 私钥
PrivateKey prvKey = keyPair.getPrivate();
// 公钥
PublicKey pubKey = keyPair.getPublic();

保存密钥

非对称密钥一般使用Base64编码保存。

// 私钥串
String prvKeyStr = Base64.getEncoder().encodeToString(prvKey.getEncoded());
// 公钥串
String pubKeyStr = Base64.getEncoder().encodeToString(pubKey.getEncoded());

非对称加密对加密内容长度有限制，不能超过192位。虽然可以使用加密数据数流来突破限制，但由于非对称加密效率不如对称加密，非对称加密一般用来加密对称密钥。

读取密钥

// 从二进制中读取私钥
byte[] bPrvKey = Base64.getDecoder().decode(prvKeyStr);
PKCS8EncodedKeySpec rsaKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(bPrvKey);
PrivateKey prvKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(rsaKeySpec);
// 从二进制中读取公钥
byte[] bPubKey = Base64.getDecoder().decode(pubKeyStr);
X509EncodedKeySpec rsaKeySpec1 = new X509EncodedKeySpec(bPubKey);
PublicKey pubKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(rsaKeySpec1);

我们在接入其他系统中，有时不是给密钥串，而是一个CA证书或PFX密钥文件。HTTS网站就是使用非对称加密的，网站会把CA证书挂在上面让浏览器下载，和服务器进行加解密交互。

从CA证书中读取公钥

// keyFilePath是证书文件
try (InputStream fin = new FileInputStream(keyFilePath)) {
CertificateFactory f = CertificateFactory.getInstance("X.509");
X509Certificate certificate = (X509Certificate) f.generateCertificate(fin);
PublicKey pubKey = certificate.getPublicKey();
} catch (IOException | CertificateException e) {
e.printStackTrace();
}

从PFX文件中读取密钥

根据密钥存储类型，下面方可以读取pfx或jks类型的密钥文件。

try (InputStream is = new FileInputStream(keyFilePath)) {
// pkcs12或jks
KeyStore store = KeyStore.getInstance("pkcs12");
// 密码
store.load(is, "密码".toCharArray());
// 获取所有密钥别名列表
Enumeration<String> e = store.aliases();
// 如果有，读取第一个密钥
if (e.hasMoreElements()) {
String alias = e.nextElement();
// 私钥
PrivateKey prvKey = (PrivateKey) store.getKey(alias, password.toCharArray());
// 公钥
PublicKey pubKey = store.getCertificate(alias).getPublicKey();
// 创建密钥对
KeyPair keyPare = new KeyPair(pubKey, prvKey);
}
} catch (IOException | KeyStoreException | CertificateException | NoSuchAlgorithmException | UnrecoverableKeyException e) {
e.printStackTrace();
}

密钥文件是用来存储密钥的仓库。Java中KeyTool工具可以创建jks密钥文件。jks密钥文件中可以存储多个密钥。如果有多个密钥文件，可以根据别名来读取指定密钥。

加密扩展包——JCE

使用JDK8，读取PFX密钥也许会遇到：

java.security.InvalidKeyException:illegal Key Size

这是因为jdk sercurity的jar包限制，只支持128bit的密钥。jar包如下：

$JAVA_HOME/lib/security/local_policy.jar
$JAVA_HOME/jre/lib/security/US_export_policy.jar

到Oracle官网下载JDK对应的加密扩展包(JCE)。以下是JDK8的JCE

https://www.oracle.com/java/technologies/javase-jce8-downloads.html

把下载后的文件解压，找到 local_policy.jar 和 US_export_policy.jar

覆盖jdk目录下， $

JAVA_HOME/jre/lib/security 和 $JAVA_HOME/lib/security 下的文件。(有的版本JDK可能没有 $JAVA_HOME/lib/security 目录，则忽略)

再运行代码，就能正常读取256bit的密钥。

加密&解密

用上面生成的密钥(对称/非对密)加密或解密

// 密文
String ciphertext = null;
{
String plaintext = "加密内容";
// 密钥算法，RSA/DAS/AESDESed
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
// 设置加密模式
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, prvKey);
// 加密后的byte数组
byte[] cipherbyte = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());
// 转成base64
ciphertext = Base64.getEncoder().encodeToString(cipherbyte);
logger.info(ciphertext);
}
{
// 密钥算法，RSA/DAS/AESDESed
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
// 设置解密模式
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, pubKey);
// base64解码获得密文byte数组
byte[] cipherbyte = Base64.getDecoder().decode(ciphertext);
// 解密后的byte数组
byte[] plainbyte = cipher.doFinal(cipherbyte);
// byte数组转字符串
String plaintext = new String(plainbyte);
logger.info(plaintext);
}

签名算法

保证数据安全，仅靠加密还不够。如果密钥被泄漏，攻击者可以伪靠数据，使用密钥加密后给服务器发送信息。所以还需要对数据签名，为安全增加一道屏障。常用的签名算法有：MD5，SHA。非对称加密的公/私钥也可以对数据签名。

MD5或SHA签名

// 可传入MD5或SHA算法
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
// 对str数据签名
byte[] bSign = md.digest(str.getBytes());
// 转成十六进制签名串
String signStr = Hex.byteCoverToString(bSign);

公/私密钥签名

/**
* 签名
* @param key
* @param algorithm
* @param data
* @return
*/
public static byte[] sign(PrivateKey key, String algorithm, byte[] data) {
try {
Signature signature = Signature.getInstance(algorithm);
signature.initSign(key);
signature.update(data);
return signature.sign();
} catch (NoSuchAlgorithmException | SignatureException | InvalidKeyException e) {
throw new CommonException(e);
}
}
/**
* 验签
* @param key
* @param algorithm
* @param sign
* @param data
* @return
*/
public static boolean verify(PublicKey key, String algorithm, byte[] sign, byte[] data) {
try {
Signature signature = Signature.getInstance(algorithm);
signature.initVerify(key);
signature.update(data);
return signature.verify(sign);
} catch (NoSuchAlgorithmException | SignatureException | InvalidKeyException e) {
throw new CommonException(e);
}
}