Java加密算法与互联网安全
一、互联网数据传输安全
互联网安全是个庞大的概念，这里仅讨论网络中两个节点之间的通信（通常是客户端和服务端），如何保证数据不被窃取？
答案是通过加解密，使得数据即使被第三方拦截，第三方也无法获取有效的信息。
加密的消息
Hello -> 密钥&加密
密钥&解密 -> Hello
二、加密算法介绍
数字摘要算法
对一段消息，通过单向Hash函数，生成一段固定长度的并且唯一的摘要。
有些人也称消息摘要算法为单向加密的算法，因为生成的摘要无法解密回原来的消息。
常用消息摘要算法
| 算法 | 摘要长度（位） |
|---|---|
| MD5 | 128 |
| SHA-1 | 160 |
Java中使用数字摘要算法
jdk定义了MessageDegist类，代表消息摘要算法。
public static byte[] messageDigest(String algorithm, byte[] content) {
try {
MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance(algorithm);
return digest.digest(content);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
throw new RuntimeException(e);
}
}
public static byte[] md5(byte[] content) {
return messageDigest("MD5", content);
}
public static byte[] sha1(byte[] content) {
return messageDigest("SHA-1", content);
}
对称加密算法
对称加密算法只有一个密钥，加密消息和解密消息都使用同一个密钥。
使用对称加密算法，只要私钥不泄露，双方传输的消息就是安全的。
常见的对称加密算法
| 算法 | 密钥长度（位） |
|---|---|
| DES | 56 |
| AES | 128或192或256 |
Java中使用对称加密
实际上jdk提供了加解密的框架，主要接口如下：
| 接口 | 说明 |
|---|---|
| SecretKey | 密钥，用于加解密 |
| Cipher | 代表一种加密算法，使用密钥进行加密或解密 |
java代码如下：
/**
* 生成对称加密算法密钥
* @param algorithm 算法
* @param keySize 密钥长度
* @return
*/
public static SecretKey genSymmetricSecretKey(String algorithm, int keySize) {
try {
KeyGenerator generator = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
generator.init(keySize);
return generator.generateKey();
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
throw new RuntimeException(e);
}
}
public static SecretKey genDESSecretKey() {
return genSymmetricSecretKey("DES", 56);
}
public static SecretKey genAESSecretKey() {
return genSymmetricSecretKey("AES", 128);
}
/**
* 使用密钥对明文加密
* @param secretKey 密钥
* @param content 明文
* @return
*/
public static byte[] encrypt(Key secretKey, byte[] content) {
try {
Cipher cipher = Cipher.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
return cipher.doFinal(content);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
throw new RuntimeException(e);
}
}
/**
* 解密
* @param secretKey
* @param secret
* @return
*/
public static byte[] decrypt(Key secretKey, byte[] secret) {
try {
Cipher cipher = Cipher.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
return cipher.doFinal(secret);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
throw new RuntimeException(e);
}
}
非对称加密算法
非对称加密算法中，存在两个密钥。一个公钥、一个私钥。
私钥加密的消息，可被私钥解密；公钥加密的消息，可被私钥解密。
如下所示：
私钥不对外开发，而公钥则对外开放。
由于公钥对外开放，因此，公钥加密的消息实际上是不安全的，因为其他人也可以获得公钥。
而由于私钥不对外公开，经过私钥加密的消息只能由公钥解密，所以私钥加密的消息可认为是安全的。
因此，非对称算法可用于私钥持有方的身份验证，而不能确保通信双方的信息安全。
常用的非对称加密算法是RSA算法。
Java中使用非对称加密算法
和对称加密不同的是，新增了KeyPair类，通过KeyPair可以获取PrivateKey以及PublicKey。
但和SecretKey类一致的是，他们都继承了java.security.Key接口，因此加解密的方式相同，只是非对称加密在加密和解密时需要传入不同的Key。
/**
* 生成非对称加密算法密钥对（包括公钥私钥）
* @param algorithm
* @param keySize
* @return
*/
public static KeyPair genKeyPair(String algorithm, int keySize) {
try {
KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance(algorithm);
generator.initialize(keySize);
return generator.generateKeyPair();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
throw new RuntimeException(e);
}
}
public static KeyPair genRSAKeyPair() {
return genKeyPair("RSA", 512);
}
密码学在互联网安全中的应用
数字签名
数字签名 = (非对称加密 + 消息摘要) + 消息正文
前面说过，在非对称算法中，私钥拥有方发送的消息是安全的。
那么，私有持有者每次加密整个正文，再发送消息，则可保证消息的安全性。
问题
每次加密整个消息正文，需要耗费很大的CPU资源。
解决方案
先使用效率更高的消息摘要算法，生成消息摘要，然后只对消息摘要使用私钥加密，将加密后的摘要和消息原文一起发送。
对方收到报文，使用公钥解密摘要，然后使用相同的消息摘要算法将正文生成摘要，和解密后的摘要进行对比，即可确定正文是否被更改了。
这样的消息被称为数字签名。
数字证书
数字证书是一种特殊的数字签名，该数字签名的消息正文内容包括：证书持有者身份、证书持有者的公钥。
签名说过，公钥的获取是不安全的，有没有办法使得获取公钥的过程是安全的呢？
答案是肯定的，解决方案如下：
由受信赖的第三方机构（称为CA）颁发公钥，颁发的方式是，对公钥持有者的身份，以及公钥，使用CA的私钥进行数字签名。
如百度的数字证书为：
那么问题来了，CA的公钥如何获取呢？
实际上，知名的CA机构的证书已经默认安装在操作系统中，称为根证书，为CA机构给自己颁发的数字证书。
安装了根证书，代表信任该CA机构。
通过IE浏览器可以查看操作系统中已安装的证书：
SSL
SSL利用数字证书，保证公钥的合法性。使用非对称加密算法，协商对称加密算法密钥。此后使用对称加密算法对消息加密后进行通信。对称加密算法效率高于非对称加密算法，是这样实现的原因。
关于SSL，有一篇文章讲述的很好，就不再赘述了：
https://showme.codes/2017-02-20/understand-https/
总结
- 使用对称加密算法，密钥不丢失，可保证通信安全
- 使用非对称加密算法，私钥持有方发送的消息安全，而公钥持有方发送的消息则不安全。
- 利用可信赖的第三方机构（CA)，可安全发布公钥（通过数字证书）。
- 对称加密算法消息比非对称加密算法执行效率更高
- 使用SSL可保证通信安全，SSL在建立连接阶段使用非对称加密，在通信阶段使用对称加密