程序员必备基础：加签验签

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

• 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 = "MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQDaJzVjC5K6kbS2YE2fiDs6H8pBn" +
            "JFDGEYqqJJC9I3E0Ebr5FsofdImV5eWdBSeADwcR9ppNbpORdZmcX6SipogKx9PXn" +
            "5aAO4GPesroVeOs91xrLEGt/arteW8iSD+ZaGDUVV3+wcEdci/eCvFlc5PUuZJoun" +
            "M2XZaDK4Fg2IRTfDXQIDAQAB";
    //私钥字符串
    private static final String PRIVATE_KEY_STR = "MIICdQIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCAl8wggJbAgEAAoGBANonNWMLkrqRtLZgn" +
            "TZ+IOzofykEkUMYRiqokkL0jcTQRuvkWyh90iZXl5Z0FJ4APBxH2mk1uk5F1mZxfn" +
            "pKKmiArH09floA7gY96yuhV46z3XGssQa39qu15byJIP5loYNRVXf7BwR1yL94K8n" +
            "WVzk9S5kmi4zZdloMrgWDYhFN8NdAgMBAAECgYA9bz1Bn0i68b2KfqRdgOfs/nben" +
            "0XNN1DLQp2t7WDfRCg01iI1zPkZgyFVZWtI85f5/uIrLs5ArLosL1oNuqqc0nNnen" +
            "CvJK+ZxvA98Hx3ZqYTzDnleR054YhofL5awbhSciYVic204DOG1rhSsYWMqtX7J7n" +
            "3geoWL7TYdMfYXcCAQJBAPMMKsz6ZJh98EeQ1tDG5gpAGWFQkYNrxZDelP/LjeO0n" +
            "TP3XkQnIpcaZoCs7V/rRGRGMWwQ2BUdc/01in89ZZ5ECQQDlx2oBc1CtOAm2UAhNn" +
            "1xWrPkZWENQ53wTrwXO4qbTGDfBKon0AehLlGCSqxQ71aufLkNO7ZlX0IHTAlnk1n" +
            "TvENAkAGSEQ69CXxgx/Y2beTwfBkR2/gghKg0QJUUkyLqBlMz3ZGAXJwTE1sqr/nn" +
            "HiuSAiGhwH0ByNuuEotO1sPGukrhAkAMK26a2w+nzPL+u+hkrwKPykGRZ1zGH+Czn" +
            "19AYNKzFXJGgclCqiMydY5T1knBDYUEbj/UW1Mmyn1FvrciHoUG1AkAEMEIuDauzn" +
            "JabEAU08YmZw6OoDGsukRWaPfjOEiVhH88p00veM1R37nwhoDMGyEGXVeVzNPvk7n" +
            "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