[Java 安全]消息摘要与数字签名
消息摘要
算法简述
定义
它是一个唯一对应一个消息或文本的固定长度的值，它由一个单向Hash加密函数对消息进行作用而产生。如果消息在途中改变了，则接收者通过对收到消息的新产生的摘要与原摘要比较，就可知道消息是否被改变了。因此消息摘要保证了消息的完整性。消息摘要采用单向Hash 函数将需加密的明文"摘要"成一串密文，这一串密文亦称为数字指纹(Finger Print)。它有固定的长度，且不同的明文摘要成密文，其结果总是不同的，而同样的明文其摘要必定一致。这样这串摘要便可成为验证明文是否是"真身"的"指纹"了。
特点
消息摘要具有以下特点：
（1） 唯一性：数据只要有一点改变，那么再通过消息摘要算法得到的摘要也会发生变化。虽然理论上有可能会发生碰撞，但是概率极其低。
（2） 不可逆：消息摘要算法的密文无法被解密。
（3） 不需要密钥，可使用于分布式网络。
（4） 无论输入的明文有多长，计算出来的消息摘要的长度总是固定的。
原理
消息摘要，其实就是将需要摘要的数据作为参数，经过哈希函数(Hash)的计算，得到的散列值。
常用算法
消息摘要算法包括MD(Message Digest，消息摘要算法)、SHA(Secure Hash Algorithm，安全散列算法)、MAC(Message AuthenticationCode，消息认证码算法)共3大系列，常用于验证数据的完整性，是数字签名算法的核心算法。
MD5和SHA1分别是MD、SHA算法系列中最有代表性的算法。
如今，MD5已被发现有许多漏洞，从而不再安全。SHA算法比MD算法的摘要长度更长，也更加安全。
算法实现
MD5、SHA的范例
JDK中使用MD5和SHA这两种消息摘要的方式基本一致，步骤如下：
（1） 初始化MessageDigest对象
（2） 更新要计算的内容
（3） 生成摘要
importjava.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
public class MsgDigestDemo{
public static void main(String args[]) throws NoSuchAlgorithmException, UnsupportedEncodingException {
String msg = "Hello World!";
MessageDigest md5Digest = MessageDigest.getInstance("MD5");
// 更新要计算的内容
md5Digest.update(msg.getBytes());
// 完成哈希计算，得到摘要
byte[] md5Encoded = md5Digest.digest();
MessageDigest shaDigest = MessageDigest.getInstance("SHA");
// 更新要计算的内容
shaDigest.update(msg.getBytes());
// 完成哈希计算，得到摘要
byte[] shaEncoded = shaDigest.digest();
System.out.println("原文: " + msg);
System.out.println("MD5摘要: " + Base64.encodeBase64URLSafeString(md5Encoded));
System.out.println("SHA摘要: " + Base64.encodeBase64URLSafeString(shaEncoded));
}
}
结果：
原文:Hello World!
MD5摘要: 7Qdih1MuhjZehB6Sv8UNjA
SHA摘要:Lve95gjOVATpfV8EL5X4nxwjKHE
HMAC的范例
importjavax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
public class HmacCoder{
/**
* JDK支持HmacMD5, HmacSHA1,HmacSHA256, HmacSHA384, HmacSHA512
*/
public enum HmacTypeEn {
HmacMD5, HmacSHA1, HmacSHA256, HmacSHA384, HmacSHA512;
}
public static byte[] encode(byte[] plaintext, byte[] secretKey, HmacTypeEn type) throwsException {
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(secretKey, type.name());
Mac mac = Mac.getInstance(keySpec.getAlgorithm());
mac.init(keySpec);
return mac.doFinal(plaintext);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
String msg = "Hello World!";
byte[] secretKey = "Secret_Key".getBytes("UTF8");
byte[] digest = HmacCoder.encode(msg.getBytes(), secretKey, HmacTypeEn.HmacSHA256);
System.out.println("原文: " + msg);
System.out.println("摘要: " + Base64.encodeBase64URLSafeString(digest));
}
}
结果：
原文:Hello World!
摘要: b8-eUifaOJ5OUFweOoq08HbGAMsIpC3Nt-Yv-S91Yr4
数字签名
算法简述
数字签名算法可以看做是一种带有密钥的消息摘要算法，并且这种密钥包含了公钥和私钥。也就是说，数字签名算法是非对称加密算法和消息摘要算法的结合体。
特点
数字签名算法要求能够验证数据完整性、认证数据来源，并起到抗否认的作用。
原理
数字签名算法包含签名和验证两项操作，遵循私钥签名，公钥验证的方式。
签名时要使用私钥和待签名数据，验证时则需要公钥、签名值和待签名数据，其核心算法主要是消息摘要算法。
常用算法
RSA、DSA、ECDSA
算法实现
DSA的范例
数字签名有两个流程：签名和验证。
它们的前提都是要有一个公钥、密钥对。
签名
用私钥为消息计算签名
验证
用公钥验证摘要
importjava.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.Signature;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
public class DsaCoder{
public static final String KEY_ALGORITHM = "DSA";
public enum DsaTypeEn {
MD5withDSA, SHA1withDSA
}
/**
* DSA密钥长度默认1024位。 密钥长度必须是64的整数倍，范围在512~1024之间
*/
private static final int KEY_SIZE = 1024;
private KeyPair keyPair;
public DsaCoder() throws Exception {
keyPair = initKey();
}
public byte[] signature(byte[] data, byte[] privateKey) throws Exception {
PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
PrivateKey key =keyFactory.generatePrivate(keySpec);
Signature signature = Signature.getInstance(DsaTypeEn.SHA1withDSA.name());
signature.initSign(key);
signature.update(data);
return signature.sign();
}
public boolean verify(byte[] data, byte[] publicKey, byte[] sign) throws Exception {
X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
PublicKey key =keyFactory.generatePublic(keySpec);
Signature signature = Signature.getInstance(DsaTypeEn.SHA1withDSA.name());
signature.initVerify(key);
signature.update(data);
return signature.verify(sign);
}
private KeyPair initKey() throws Exception {
// 初始化密钥对生成器
KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
// 实例化密钥对生成器
keyPairGen.initialize(KEY_SIZE);
// 实例化密钥对
return keyPairGen.genKeyPair();
}
public byte[] getPublicKey() {
return keyPair.getPublic().getEncoded();
}
public byte[] getPrivateKey() {
return keyPair.getPrivate().getEncoded();
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
String msg = "Hello World";
DsaCoder dsa = new DsaCoder();
byte[] sign = dsa.signature(msg.getBytes(), dsa.getPrivateKey());
boolean flag = dsa.verify(msg.getBytes(), dsa.getPublicKey(), sign);
String result = flag ? "数字签名匹配" : "数字签名不匹配";
System.out.println("数字签名：" + Base64.encodeBase64URLSafeString(sign));
System.out.println("验证结果：" + result);
}
}
参考
《Core Java Volume2》
《Java加密与解密技术》
