Java加密算法與互聯網安全

一、互聯網數據傳輸安全

互聯網安全是個龐大的概念，這裏僅討論網絡中兩個節點之間的通信（通常是客戶端和服務端），如何保證數據不被竊取？
答案是通過加解密，使得數據即使被第三方攔截，第三方也無法獲取有效的信息。

二、加密算法介紹

數字摘要算法

對一段消息，通過單向Hash函數，生成一段固定長度的並且唯一的摘要。
有些人也稱消息摘要算法爲單向加密的算法，因爲生成的摘要無法解密回原來的消息。

常用消息摘要算法

算法	摘要長度（位）
MD5	128
SHA-1	160

Java中使用數字摘要算法

jdk定義了MessageDegist類，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);
	}

對稱加密算法

對稱加密算法只有一個密鑰，加密消息和解密消息都使用同一個密鑰。
使用對稱加密算法，只要私鑰不泄露，雙方傳輸的消息就是安全的。

常見的對稱加密算法

算法	密鑰長度（位）
DES	56
AES	128或192或256

Java中使用對稱加密

實際上jdk提供了加解密的框架，主要接口如下：

接口	說明
SecretKey	密鑰，用於加解密
Cipher	代表一種加密算法，使用密鑰進行加密或解密

java代碼如下：

/**
	 * 生成對稱加密算法密鑰
	 * @param algorithm 算法
	 * @param keySize 密鑰長度
	 * @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);
	}
	
	/**
	 * 使用密鑰對明文加密
	 * @param secretKey 密鑰
	 * @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);
		}
	}

非對稱加密算法

非對稱加密算法中，存在兩個密鑰。一個公鑰、一個私鑰。
私鑰加密的消息，可被私鑰解密；公鑰加密的消息，可被私鑰解密。
如下所示：

私鑰不對外開發，而公鑰則對外開放。
由於公鑰對外開放，因此，公鑰加密的消息實際上是不安全的，因爲其他人也可以獲得公鑰。
而由於私鑰不對外公開，經過私鑰加密的消息只能由公鑰解密，所以私鑰加密的消息可認爲是安全的。
因此，非對稱算法可用於私鑰持有方的身份驗證，而不能確保通信雙方的信息安全。
常用的非對稱加密算法是RSA算法。

Java中使用非對稱加密算法

和對稱加密不同的是，新增了KeyPair類，通過KeyPair可以獲取PrivateKey以及PublicKey。
但和SecretKey類一致的是，他們都繼承了java.security.Key接口，因此加解密的方式相同，只是非對稱加密在加密和解密時需要傳入不同的Key。

/**
	 * 生成非對稱加密算法密鑰對（包括公鑰私鑰）
	 * @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);
	}

密碼學在互聯網安全中的應用

數字簽名

數字簽名 = (非對稱加密 + 消息摘要) + 消息正文

前面說過，在非對稱算法中，私鑰擁有方發送的消息是安全的。
那麼，私有持有者每次加密整個正文，再發送消息，則可保證消息的安全性。

問題
每次加密整個消息正文，需要耗費很大的CPU資源。

解決方案
先使用效率更高的消息摘要算法，生成消息摘要，然後只對消息摘要使用私鑰加密，將加密後的摘要和消息原文一起發送。

對方收到報文，使用公鑰解密摘要，然後使用相同的消息摘要算法將正文生成摘要，和解密後的摘要進行對比，即可確定正文是否被更改了。

這樣的消息被稱爲數字簽名。

數字證書

數字證書是一種特殊的數字簽名，該數字簽名的消息正文內容包括：證書持有者身份、證書持有者的公鑰。

簽名說過，公鑰的獲取是不安全的，有沒有辦法使得獲取公鑰的過程是安全的呢？
答案是肯定的，解決方案如下：
由受信賴的第三方機構（稱爲CA）頒發公鑰，頒發的方式是，對公鑰持有者的身份，以及公鑰，使用CA的私鑰進行數字簽名。
如百度的數字證書爲：

那麼問題來了，CA的公鑰如何獲取呢？
實際上，知名的CA機構的證書已經默認安裝在操作系統中，稱爲根證書，爲CA機構給自己頒發的數字證書。
安裝了根證書，代表信任該CA機構。
通過IE瀏覽器可以查看操作系統中已安裝的證書：

SSL

SSL利用數字證書，保證公鑰的合法性。使用非對稱加密算法，協商對稱加密算法密鑰。此後使用對稱加密算法對消息加密後進行通信。對稱加密算法效率高於非對稱加密算法，是這樣實現的原因。

關於SSL，有一篇文章講述的很好，就不再贅述了：
https://showme.codes/2017-02-20/understand-https/

總結

• 使用對稱加密算法，密鑰不丟失，可保證通信安全
• 使用非對稱加密算法，私鑰持有方發送的消息安全，而公鑰持有方發送的消息則不安全。
• 利用可信賴的第三方機構（CA)，可安全發佈公鑰（通過數字證書）。
• 對稱加密算法消息比非對稱加密算法執行效率更高
• 使用SSL可保證通信安全，SSL在建立連接階段使用非對稱加密，在通信階段使用對稱加密