加密与安全_Java 加密体系 (JCA) 和常用的开源密码库

文章目录

Java Cryptography Architecture (JCA)
开源国密库
国密算法
- 对称加密（DES/AES⇒SM4）
- 非对称加密（RSA/ECC⇒SM2）
- 散列(摘要/哈希)算法（MD5/SHA⇒SM3）
在线生成公钥私钥对，RSA公私钥生成
参考

Java Cryptography Architecture (JCA)

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/security/crypto/CryptoSpec.html

Java加密体系（Java Cryptography Architecture，JCA）是Java平台的一部分，它提供了一套用于加密、密钥生成和管理的API。JCA的设计目标是能够插入不同的加密服务提供者（Cryptography Service Providers，CSP），使得Java应用程序能够在各种加密算法和协议中灵活选择。
JCA的主要组件包括：

Cipher类：用于加密和解密数据的类。它支持多种加密模式，如电子密码本（ECB）、密码块链（CBC）、计数器（CTR）等，以及多种填充模式，如PKCS5Padding、NoPadding等。
Key接口和其子类：表示加密密钥的接口，有不同类型的密钥，如SecretKey、PublicKey和PrivateKey。
KeyPairGenerator和KeyGenerator类：用于生成密钥对和密钥的类。
KeyStore类：用于存储和管理密钥和证书的类。
MessageDigest类：用于生成哈希摘要的类，支持多种哈希算法，如MD5、SHA-1、SHA-256等。
Signature类：用于生成和验证数字签名的类。
SecureRandom类：用于生成安全随机数的类。
Security类和Provider类：Security类用于管理已安装的加密服务提供者，而Provider类则是加密服务提供者的基类。

JCA还支持加密算法的参数设置，如密钥大小、迭代次数等，通过AlgorithmParameterSpec接口及其子类实现。

Java加密体系（JCA）支持多种加密算法，包括对称加密、非对称加密、哈希（散列）算法和数字签名算法。JCA支持的常见加密算法：

对称加密算法：

AES (Advanced Encryption Standard)
DES (Data Encryption Standard)
DESede (Triple DES)
RC2 (Rivest Cipher 2)
RC4 (Rivest Cipher 4)
Blowfish
Camellia

非对称加密算法：

RSA
DSA (Digital Signature Algorithm)
EC (Elliptic Curve)算法，包括ECDSA和ECDH

哈希（散列）算法：

MD5 (Message Digest 5)
SHA-1 (Secure Hash Algorithm 1)
SHA-256 (SHA-2 family)
SHA-384 (SHA-2 family)
SHA-512 (SHA-2 family)

数字签名算法：

RSA
DSA
ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)

这些算法可以用于各种加密操作，如数据加密、密钥交换、哈希生成和数字签名。JCA通过Cipher类、Signature类、MessageDigest类等提供了对这些算法的支持。

随着加密技术的发展和安全性的变化，一些算法（如MD5和SHA-1）由于已不再被认为是安全的，因此在某些情况下可能不再推荐使用。

Demo示例

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;public class JCACryptoExample {public static void main(String[] args) throws Exception {// 生成AES密钥KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");keyGenerator.init(128); // 设置密钥大小为128位SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();// 加密数据Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);String plainText = "This is a secret message!";byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());String encryptedBase64 = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);System.out.println("Encrypted (Base64): " + encryptedBase64);// 解密数据cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedBase64));String decryptedText = new String(decryptedBytes);System.out.println("Decrypted: " + decryptedText);}
}

首先使用KeyGenerator生成一个AES密钥。然后，我们创建一个Cipher实例来初始化加密模式，并使用生成的密钥对字符串进行加密。加密后的数据被转换为Base64编码的字符串以便于显示。接着，我们重新初始化Cipher以解密模式，并使用相同的密钥对加密后的数据进行解密，最后将解密后的数据转换回原始字符串

开源国密库

名称	描述	GitHub
crypto-js	MD5、SHA1、SHA2、SHA3、RIPEMD-160 的哈希散列，AES、DES、Rabbit、RC4、Triple DES 对称加解密	https://github.com/brix/crypto-js
JSEncrypt	非对称RSA加解密，只支持浏览器，不支持Node	https://github.com/travist/jsencrypt
node-rsa	支持Node运行的RSA加解密库	https://github.com/rzcoder/node-rsa
Web Cryptography API	W3C制定的密码规范API，主流浏览器、Node15都已支持	https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/Web_Crypto_API
opensm	开源国密SM2/SM3/SM4算法，基于GmSSL，基于OpenSSL1.1.0，7年前（老）	https://github.com/zhangyantao/opensm
TencentKonaSMSuite	腾讯开源的国密套件SDK（Java）	https://github.com/tencent/TencentKonaSMSuite
sm-crypto	国密算法sm2、sm3和sm4的JavaScript实现，有关联java版	https://github.com/JuneAndGreen/sm-crypto
gm-crypto	国密算法sm2、sm3和sm4的JavaScript实现	https://github.com/byte-fe/gm-crypto
sm-crypto-v2	国密算法 sm2、sm3 和 sm4 的 JavaScript 实现	https://github.com/Cubelrti/sm-crypto-v2
GmSSL	北京大学国密开源库，包含多个版本Java、JS、PHP、Go…，没有npm包	https://github.com/guanzhi/GmSSL
Tongsuo 铜锁	阿里开源的综合性基础密码库，功能比较全	https://github.com/Tongsuo-Project/Tongsuo

国密算法

在这里插入图片描述

国产密码算法（国密算法）是指国家密码局认定的国产商用密码算法，在一般信息化系统开发中主要使用公开的SM2（非对称）、SM3（摘要）、SM4（对称）三类算法。

Base64是一种编码格式，并不属于加密，常用于数据传输、兼容性问题。Base64编码本质上是一种将二进制数据转成文本数据的方案，将一些不适合传输的数据内容进行编码来适合传输。

对称加密（DES/AES⇒SM4）

🔸基本特点：

同一个秘钥进行加密、解密。因此秘钥的保密性就很重要，不能泄漏。
计算量小、效率高。

🔸应用场景：

数据加密存储。
加密通信，如HTTPS、SSL、VPN，会与其他加密算法混合使用。

非对称加密（RSA/ECC⇒SM2）

🔸基本特点：

密钥配对：一个私钥、一个公钥，用私钥加密，用公钥解密。注意每一个密钥对都是独一无二、天生一对的，只能配对的秘钥加密、解密。简单来说，公钥加密的数据，只能配对的私钥才能解密。
安全性高，但计算量大。
基本原理：利用某一数学公式，正向计算容易，反向推理则非常难。

🔸应用场景：

HPPTS、SSH协议，如Git的ssh认证。
HTTPS的安全传输就是混合了非对称加密、对称加密，非对称加密协商会话秘钥，用会话秘钥对称加密传输数据。
敏感数据的加密传输，如客户端登录时传输用户名、密码信息时，采用公钥加密数据，服务端私钥解密。
对数据进行签名、验签，保障数据的完整性，同时验证身份。

散列(摘要/哈希)算法（MD5/SHA⇒SM3）

🔸基本特点：

无需秘钥，“加密”后的数据不可逆。所以这也不算是“加密”，一般称为哈希（Hash）。
任何长度的数据生成的哈希值长度都固定。
相同数据每次生成的哈希值相同，不同的数据则不同。

🔸应用场景：

数据摘要/哈希，验证数据是否被篡改、或数据丢失，保障数据的完整性、不可篡改性。
单向加密保存数据，如密码的保存，密码的存储普遍都是存的哈希值，登录时比较其hash值即可。

🔸彩虹表破解：

由于散列算法的特点（同一数据生成哈希值始终一样），如果存储了大量（海量）字符内容的哈希值，就很容易进行查询破解了，这就是彩虹表，暴力破解也是一样的道理。常用的6位数字密码是相当容易破解的，如CMD5这个网站就利用存储的大量密文字典，反向查询破解。怎么解决呢？

提升散列算法的安全性，常用方法就是加“盐”，核心思想就是在哈希过程中添加一些自定义的内容、规则，仅自己知道，从而避免被字典破解。
最简单的比如在密文中某一位置添加一串随机字符，只有自己知道，使用的时候去掉干扰字符即可。
加盐的具体方式很多，可以自己DIV，常用的一种模式如下图，加盐+双重哈希。 MD5(MD5(password) + salt)
如果加盐的规则被窃取了，对于现代的硬件是挺容易被破解的，只能设置尽量复杂的密码+定期更换了。

📢实际应用中，可能会多种加密算法组合使用。

比如HTTPS的安全数据传输就是同时用了对称加密、非对称加密，用非对称传送（动态）密钥，对称加密传输数据。《HTTP协议图文简述》
对一个数据进行多重加密，以防被破解

在线生成公钥私钥对，RSA公私钥生成

https://www.metools.info/code/c80.html

RSA非对称加密公私钥对生成，输出PEM格式的公私钥对，同时支持PKCS#1、PKCS#8密钥格式输出；生成的公私钥对，可拷贝到文本文件，保存为.key文件即可使用。

PEM格式：RSA公私钥对常用的编码方式，OPENSSL以PEM格式为主，相对DER可读性更强，以BASE64编码呈现；
开头类似 -----BEGIN PRIVATE KEY-----
结尾类似 -----END PRIVATE KEY-----
PKCS#8密钥格式，多用于JAVA、PHP程序加解密中，为目前用的比较多的密钥、证书格式；
PKCS#1密钥格式，多用于JS等其它程序加解密，属于比较老的格式标准。
PKCS#1和PKCS#8的主要区别，从本质上说，PKCS#8格式增加验证数据段，保证密钥正确性。