MAC演算法家族

MAC演算法 MAC（Message Authentication Code，消息認證碼演算法），是帶密鑰的Hash函數。輸入密鑰和消息，輸出一個消息摘要。
它集合了MD和SHA兩大系列消息摘要演算法。

• MD 系列演算法: HmacMD2、HmacMD4 和 HmacMD5 ；
• SHA 系列演算法：HmacSHA1、HmacSHA224、HmacSHA256、HmacSHA384 和 HmacSHA512 。

對稱加密演算法

加密和解密使用相同密鑰的加密演算法就是對稱加密演算法。常見的對稱加密演算法有AES、3DES、DES、RC5、RC6等。

DES

數據加密標準（英語：Data Encryption Standard，縮寫為 DES）是一種對稱密鑰加密塊密碼演算法。
DES演算法的入口參數有三個：Key、Data、Mode。

• Key: 7個位元組共56位，是DES演算法的工作密鑰；
• Data: 8個位元組64位，是要被加密或被解密的數據；
• Mode: 加密或解密。

3DES

三重數據加密演算法（英語：Triple Data Encryption Algorithm，又稱3DES（Triple DES），是一種對稱密鑰加密塊密碼，相當於是對每個數據塊應用三次數據加密標準（DES）演算法。

AES

AES，高級加密標準（英語：Advanced Encryption Standard），在密碼學中又稱Rijndael加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。

• 採用對稱分組密碼體制，密鑰長度為 128 位、 192 位、256 位，分組長度128位
• 相對於DES ，AES具有更好的 安全性、效率 和 靈活性。

非對稱加密演算法

非對稱加密演算法需要兩個密鑰：公鑰和私鑰。公鑰與私鑰是成對存在的，如果用公鑰對數據進行加密，只有用對應的私鑰才能解密。主要的非對稱加密演算法有：RSA、Elgamal、DSA、D-H、ECC。

RSA演算法

• RSA加密演算法是一種非對稱加密演算法,廣泛應用於加密和數字簽名
• RSA演算法原理：兩個大素數的乘積進行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密密鑰。
• RSA是被研究得最廣泛的公鑰演算法，從提出到現在，經歷了各種攻擊的考驗，普遍認為是目前最優秀的公鑰方案之一。

DSA

• DSA(Digital Signature Algorithm,數字簽名演算法),也是一種非對稱加密演算法。
• DSA和RSA區別在，DSA僅用於數字簽名，不能用於數據加密解密。其安全性和RSA相當，但其性能要比RSA好。

ECC 演算法

• ECC（Elliptic Curves Cryptography，橢圓曲線密碼編碼學），基於橢圓曲線加密。
• Ecc主要優勢是，在某些情況下，它比其他的方法使用更小的密鑰，比如RSA加密演算法，提供相當的或更高等級的安全級別。
• 它的一個缺點是，加密和解密操作的實現比其他機制時間長 (相比RSA演算法，該演算法對CPU 消耗嚴重)。

國密演算法

國密即國家密碼局認定的國產密碼演算法。為了保障商用密碼的安全性，國家商用密碼管理辦公室制定了一系列密碼標準，即SM1，SM2，SM3，SM4等國密演算法。

SM1

• SM1，為對稱加密演算法，加密強度為128位，基於硬體實現。
• SM1的加密強度和性能，與AES相當。

SM2

• SM2主要包括三部分：簽名演算法、密鑰交換演算法、加密演算法
• SM2用於替換RSA加密演算法，基於ECC，效率較低。

SM3

• SM3，即國產消息摘要演算法。
• 適用於商用密碼應用中的數字簽名和驗證，消息認證碼的生成與驗證以及隨機數的生成。

SM4

• SM4是一個分組演算法，用於無線區域網產品。
• 該演算法的分組長度為128比特，密鑰長度為128比特。
• 加密演算法與密鑰擴展演算法都採用32輪非線性迭代結構。
• 解密演算法與加密演算法的結構相同，只是輪密鑰的使用順序相反，解密輪密鑰是加密輪密鑰的逆序。
• 它的功能類似國際演算法的DES。

加簽驗簽相關Java的API

這個小節先介紹一下加簽驗簽需要用到的API吧~

加簽相關API

- java.security.Signature.getInstance(String algorithm); //根據對應演算法，初始化簽名對象
- KeyFactory.getInstance(String algorithm);// 根據對應演算法,生成KeyFactory對象
- KeyFactory.generatePrivate(KeySpec keySpec); //生成私鑰
- java.security.Signature.initSign(PrivateKey privateKey) //由私鑰，初始化加簽對象
- java.security.Signature.update(byte[] data)  //把原始報文更新到加簽對象
- java.security.Signature.sign();//加簽

Signature.getInstance(String algorithm);

• 根據對應演算法，初始化簽名對象
• algorithm參數可以取SHA256WithRSA或者MD5WithRSA等參數，SHA256WithRSA表示生成摘要用的是SHA256演算法，簽名加簽用的是RSA演算法

KeyFactory.getInstance(String algorithm);

• 根據對應演算法,生成KeyFactory對象，比如你的公私鑰用的是RSA演算法，那麼就傳入RSA

KeyFactory.generatePrivate(KeySpec keySpec)

• 生成私鑰，加簽用的是私鑰哈，所以需要通過KeyFactory先構造一個私鑰對象。

Signature.initSign(PrivateKey privateKey)

• 加簽用的是私鑰，所以傳入私鑰，初始化加簽對象

Signature.update(byte[] data)

• 把原始報文更新到加簽對象

java.security.Signature.sign();

• 進行加簽操作

驗簽相關API

- java.security.Signature.getInstance(String algorithm); //根據對應演算法，初始化簽名對象
- KeyFactory.getInstance(String algorithm);// 根據對應演算法,生成KeyFactory對象
- KeyFactory.generatePublic(KeySpec keySpec); //生成公鑰
- java.security.Signature.initVerify(publicKey); //由公鑰，初始化驗簽對象
- java.security.Signature.update(byte[] data)  //把原始報文更新到驗簽對象
- java.security.Signature.verify(byte[] signature);//驗簽

Signature.getInstance(String algorithm)

• 根據對應演算法，初始化簽名對象，注意驗簽和加簽是需要用相同的algorithm演算法參數哦~

KeyFactory.getInstance(String algorithm);

• 根據對應演算法,生成KeyFactory對象

KeyFactory.generatePublic(KeySpec keySpec);

• 生成公鑰，驗簽用的是公鑰，通過KeyFactory先構造一個公鑰對象

**Signature.initVerify(publicKey); **

• 公鑰驗簽，所以傳入公鑰對象參數，初始化驗簽對象

Signature.update(byte[] data)

• 把原始報文更新到加簽對象

Signature.verify(byte[] signature);

• 進行驗簽操作

加簽驗簽程式碼實現

前幾個小節討論完概念，是時候上程式碼實戰了，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;

/**
 * 加簽驗簽demo
 *  @Author 撿田螺的小男孩
 */
public class SignatureTest {
    //公鑰字元串
    private static final String PUBLIC_KEY_STR = "MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQDaJzVjC5K6kbS2YE2fiDs6H8pB\n" +
            "JFDGEYqqJJC9I3E0Ebr5FsofdImV5eWdBSeADwcR9ppNbpORdZmcX6SipogKx9PX\n" +
            "5aAO4GPesroVeOs91xrLEGt/arteW8iSD+ZaGDUVV3+wcEdci/eCvFlc5PUuZJou\n" +
            "M2XZaDK4Fg2IRTfDXQIDAQAB";
    //私鑰字元串
    private static final String PRIVATE_KEY_STR = "MIICdQIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCAl8wggJbAgEAAoGBANonNWMLkrqRtLZg\n" +
            "TZ+IOzofykEkUMYRiqokkL0jcTQRuvkWyh90iZXl5Z0FJ4APBxH2mk1uk5F1mZxf\n" +
            "pKKmiArH09floA7gY96yuhV46z3XGssQa39qu15byJIP5loYNRVXf7BwR1yL94K8\n" +
            "WVzk9S5kmi4zZdloMrgWDYhFN8NdAgMBAAECgYA9bz1Bn0i68b2KfqRdgOfs/nbe\n" +
            "0XNN1DLQp2t7WDfRCg01iI1zPkZgyFVZWtI85f5/uIrLs5ArLosL1oNuqqc0nNne\n" +
            "CvJK+ZxvA98Hx3ZqYTzDnleR054YhofL5awbhSciYVic204DOG1rhSsYWMqtX7J7\n" +
            "3geoWL7TYdMfYXcCAQJBAPMMKsz6ZJh98EeQ1tDG5gpAGWFQkYNrxZDelP/LjeO0\n" +
            "TP3XkQnIpcaZoCs7V/rRGRGMWwQ2BUdc/01in89ZZ5ECQQDlx2oBc1CtOAm2UAhN\n" +
            "1xWrPkZWENQ53wTrwXO4qbTGDfBKon0AehLlGCSqxQ71aufLkNO7ZlX0IHTAlnk1\n" +
            "TvENAkAGSEQ69CXxgx/Y2beTwfBkR2/gghKg0QJUUkyLqBlMz3ZGAXJwTE1sqr/n\n" +
            "HiuSAiGhwH0ByNuuEotO1sPGukrhAkAMK26a2w+nzPL+u+hkrwKPykGRZ1zGH+Cz\n" +
            "19AYNKzFXJGgclCqiMydY5T1knBDYUEbj/UW1Mmyn1FvrciHoUG1AkAEMEIuDauz\n" +
            "JabEAU08YmZw6OoDGsukRWaPfjOEiVhH88p00veM1R37nwhoDMGyEGXVeVzNPvk7\n" +
            "cELg28MSRzCK";


    public static void main(String[] args) throws SignatureException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException, IOException, InvalidKeySpecException {
        //原始報文
        String plain = "歡迎大家關注我的公眾號，撿田螺的小男孩";
        //加簽
        byte[] signatureByte = sign(plain);
        System.out.println("原始報文是:" + plain);
        System.out.println("加簽結果:");
        System.out.println(new BASE64Encoder().encode(signatureByte));
        //驗簽
        boolean verifyResult = verify(plain, signatureByte);
        System.out.println("驗簽結果:" + verifyResult);
    }

    /**
     * 加簽方法
     * @param plain
     * @return
     * @throws NoSuchAlgorithmException
     * @throws InvalidKeyException
     * @throws UnsupportedEncodingException
     * @throws SignatureException
     */
    private static byte[] sign(String plain) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException, UnsupportedEncodingException, SignatureException {
        //根據對應演算法，獲取簽名對象實例
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA256WithRSA");
        //獲取私鑰，加簽用的是私鑰，私鑰一般是在配置文件裡面讀的，這裡為了演示方便，根據私鑰字元串生成私鑰對象
        PrivateKey privateKey = getPriveteKey(PRIVATE_KEY_STR);
        //初始化簽名對象
        signature.initSign(privateKey);
        //把原始報文更新到對象
        signature.update(plain.getBytes("UTF-8"));
        //加簽
        return signature.sign();
    }

    /**
     * 驗簽方法
     * @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 {
        //獲取公鑰
        PublicKey publicKey = getPublicKey(PUBLIC_KEY_STR);
        //根據對應演算法，獲取簽名對象實例
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA256WithRSA");
        //初始化簽名對象
        signature.initVerify(publicKey);
        //把原始報文更新到簽名對象
        signature.update(plain.getBytes("UTF-8"));
        //進行驗簽
        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對稱加密演算法
            java.security.KeyFactory keyFactory;
            keyFactory = java.security.KeyFactory.getInstance("RSA");
            // 生成公鑰對象
            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;
    }
}

運行結果:

原始報文是:歡迎大家關注我的公眾號，撿田螺的小男孩
加簽結果:
Oz15/aybGe42eGHbc+iMoSYHSCc8tfRskTVjjGSTPD4HjadL0CC5JUWNUW0WxHjUb4MvxWo2oeWE
Qw0+m61d+JgBMto/TWcVDcgwL/AbObsbWdQ6E/fVRqG13clkE8MyKsjt9Z7tcbwpycYTv0rUR4co
rndAVfBdtv5KeV+OXqM=
驗簽結果:true

參考與感謝

• 維基百科
• 百度百科
• 常用消息摘要演算法簡介
• 淺談常見的七種加密演算法及實現
• 【易錯概念】國密演算法SM1（SCB2）、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9、ZUC

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