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:
"+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。