【数据安全】一、数字签名、数字证书、数据加密

心已赠人 2023-07-25 05:28 25阅读 0赞

# 1 前言 #

本文介绍，在数据安全相关领域，常见的问题场景，以及相应的处理策略。涉及到三类算法：哈希算法、对称加密算法、非对称加密算法；以及两个场景：数字签名（数字证书也是数字签名一种处理方式）、内容加密。

# 2 三类算法 #

## 2.1 哈希算法 ##

常见的hash算法包括“MD5、SHA-1、SHA-256、SHA-384、SHA-512”。不论消息内容有多长，使用hash算法，总能得到指定位数的一个序列。例如，采用SHA-1算法计算以下内容的消息摘要：  
“Upon my death, my property shall be divided equally among my children; however, my son George shall receive nothing.”  
得到的结果是：  
“12 5F 09 03 E7 31 30 19 2E A6 E7 E4 90 43 84 B4 38 99 8F 67”  
以下是代码示例：

package com.galen.v2ch09.hash;
 
 import java.io.*;
 import java.nio.file.*;
 import java.security.*;
 
 /** * This program computes the message digest of a file. * * @author Cay Horstmann * @version 1.20 2012-06-16 */
 public class Digest { 
 /** * @param args args[0] is the filename, args[1] is optionally the algorithm * (SHA-1, SHA-256, or MD5) * javac com/galen/v2ch09/hash/Digest.java * java com.galen.v2ch09.hash.Digest input.txt * java com.galen.v2ch09.hash.Digest input.txt MD5 */
 public static void main(String[] args) throws IOException, GeneralSecurityException { 
 String algname = args.length >= 2 ? args[1] : "SHA-1";
 MessageDigest alg = MessageDigest.getInstance(algname);
 byte[] input = Files.readAllBytes(Paths.get(args[0]));
 byte[] hash = alg.digest(input);
 String d = "";
 for (int i = 0; i < hash.length; i++) { 
 int v = hash[i] & 0xFF;
 if (v < 16) d += "0";
 d += Integer.toString(v, 16).toUpperCase() + " ";
 }
 System.out.println(d);
 }
 }

如果使用idea开发工具可以打开teminal输入以下命令进行测试：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3h1amluZ2dlbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
(1) javac com/galen/v2ch09/hash/Digest.java ： 编译指定java文件。  
(2) java com.galen.v2ch09.hash.Digest input.txt：运行Digest类，并传入input.txt文件，默认将使用“SHA-1”哈希算法。  
(3) java com.galen.v2ch09.hash.Digest input.txt MD5 ： 运行Digest类，并传入input.txt 文件,使用MD5哈希算法。

## 2.2 对称加密算法 ##

对称加密算法是应用较早的加密算法，又称为共享密钥加密算法。常见的对称加密算法包括DES、3DES、AES 等。  
在 对称加密算法 中，使用的密钥只有一个，发送 和 接收 双方都使用这个密钥对数据进行 加密 和 解密。这就要求加密和解密方事先都必须知道加密的密钥。  
数据加密过程：在对称加密算法中，数据发送方 将 明文 (原始数据) 和 加密密钥 一起经过特殊 加密处理，生成复杂的 加密密文 进行发送。  
数据解密过程：数据接收方 收到密文后，若想读取原数据，则需要使用 加密使用的密钥 及相同算法的 逆算法 对加密的密文进行解密，才能使其恢复成可读明文。

package com.galen.v2ch09.aes;
 
 import java.io.*;
 import java.security.*;
 import javax.crypto.*;
 
 /** * This program tests the AES cipher. Usage: * javac com/galen/v2ch09/aes/Util.java * javac com/galen/v2ch09/aes/AESTest.java * java com.galen.v2ch09.aes.AESTest -genkey secret.key * java com.galen.v2ch09.aes.AESTest -encrypt plaintext.txt encrypted.txt secret.key * java com.galen.v2ch09.aes.AESTest -decrypt encrypted.txt decrypted.txt secret.key * * @author Cay Horstmann * @version 1.01 2012-06-10 */
 public class AESTest { 
 public static void main(String[] args)
 throws IOException, GeneralSecurityException, ClassNotFoundException { 
 if (args[0].equals("-genkey")) { 
 KeyGenerator keygen = KeyGenerator.getInstance("AES");
 SecureRandom random = new SecureRandom();
 keygen.init(random);
 SecretKey key = keygen.generateKey();
 System.out.print(key.toString());
 try (ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(args[1]))) { 
 out.writeObject(key);
 }
 } else { 
 int mode;
 if (args[0].equals("-encrypt")) { 
 mode = Cipher.ENCRYPT_MODE;
 } else { 
 mode = Cipher.DECRYPT_MODE;
 }
 
 
 try (ObjectInputStream keyIn = new ObjectInputStream(new FileInputStream(args[3]));
 InputStream in = new FileInputStream(args[1]);
 OutputStream out = new FileOutputStream(args[2])) { 
 Key key = (Key) keyIn.readObject();
 Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
 cipher.init(mode, key);
 Util.crypt(in, out, cipher);
 }
 }
 }
 }

测试类中使用的公共类：

package com.galen.v2ch09.aes;
    
    import java.io.*;
    import java.security.*;
    import javax.crypto.*;
    
    public class Util { 
        /** * Uses a cipher to transform the bytes in an input stream and sends the transformed bytes to an * output stream. * * @param in the input stream * @param out the output stream * @param cipher the cipher that transforms the bytes */
        public static void crypt(InputStream in, OutputStream out, Cipher cipher) throws IOException,
                GeneralSecurityException { 
            int blockSize = cipher.getBlockSize();
            int outputSize = cipher.getOutputSize(blockSize);
            byte[] inBytes = new byte[blockSize];
            byte[] outBytes = new byte[outputSize];
    
            int inLength = 0;
            boolean more = true;
            while (more) { 
                inLength = in.read(inBytes);
                if (inLength == blockSize) { 
                    int outLength = cipher.update(inBytes, 0, blockSize, outBytes);
                    out.write(outBytes, 0, outLength);
                } else more = false;
            }
            if (inLength > 0) outBytes = cipher.doFinal(inBytes, 0, inLength);
            else outBytes = cipher.doFinal();
            out.write(outBytes);
        }
    }

## 2.3 非对称加密算法 ##

非对称加密算法也有叫做“公共密钥加密技术”。非对称加密算法是基于“公共密钥”和“私有密钥”两个基本概念的。它的设计思想是你可以将公共密钥告诉任何人，但是只有自己才持有“私有密钥”，你需要保护你的“私有密钥”，不将其泄露给任何人。常见的非对称加密算法如DSA、RSA、ECC等。“公共密钥”和“私有密钥”是相对的，通过指定工具产生一组密钥，将其中任一个密钥作为公有密钥公布出去，另外一个即为私有密钥。  
由于非对称加密算法更加复杂，加解密过程相对于对称加密会慢很多，所以当需要加密的信息内容很多的情况下，一般对正文内容会采用对称加密（会有一个密钥），然后对密钥进行非对称加密。以下代码，展示对一个对称加密的的密钥进行非对称加密的过程。

package com.galen.v2ch09.rsa;
 
 import java.io.*;
 import java.security.*;
 import javax.crypto.*;
 
 /** * This program tests the RSA cipher. Usage: * javac com/galen/v2ch09/rsa/Util.java * javac com/galen/v2ch09/rsa/RSATest.java * java com.galen.v2ch09.rsa.RSATest -genkey publickey.key privatekey.key * java com.galen.v2ch09.rsa.RSATest -encrypt plaintext.txt rsaencrypted.txt publickey.key * java com.galen.v2ch09.rsa.RSATest -decrypt rsaencrypted.txt rsadecrypted.txt privatekey.key * * @author Cay Horstmann * @version 1.01 2012-06-10 */
 public class RSATest { 
 private static final int KEYSIZE = 512;
 
 public static void main(String[] args)
 throws IOException, GeneralSecurityException, ClassNotFoundException { 
 if (args[0].equals("-genkey")) { 
 KeyPairGenerator pairgen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
 SecureRandom random = new SecureRandom();
 pairgen.initialize(KEYSIZE, random);
 KeyPair keyPair = pairgen.generateKeyPair();
 try (ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(args[1]))) { 
 out.writeObject(keyPair.getPublic());
 }
 try (ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(args[2]))) { 
 out.writeObject(keyPair.getPrivate());
 }
 } else if (args[0].equals("-encrypt")) { 
 KeyGenerator keygen = KeyGenerator.getInstance("AES");
 SecureRandom random = new SecureRandom();
 keygen.init(random);
 SecretKey key = keygen.generateKey();
 
 try (ObjectInputStream keyIn = new ObjectInputStream(new FileInputStream(args[3]));
 DataOutputStream out = new DataOutputStream(new FileOutputStream(args[2]));
 InputStream in = new FileInputStream(args[1])) { 
 Key publicKey = (Key) keyIn.readObject();
 Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
 cipher.init(Cipher.WRAP_MODE, publicKey);
 byte[] wrappedKey = cipher.wrap(key);
 out.writeInt(wrappedKey.length);
 out.write(wrappedKey);
 
 cipher = Cipher.getInstance("AES");
 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
 Util.crypt(in, out, cipher);
 }
 } else { 
 try (DataInputStream in = new DataInputStream(new FileInputStream(args[1]));
 ObjectInputStream keyIn = new ObjectInputStream(new FileInputStream(args[3]));
 OutputStream out = new FileOutputStream(args[2])) { 
 int length = in.readInt();
 byte[] wrappedKey = new byte[length];
 in.read(wrappedKey, 0, length);
 
 // unwrap with RSA private key
 Key privateKey = (Key) keyIn.readObject();
 
 Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
 cipher.init(Cipher.UNWRAP_MODE, privateKey);
 Key key = cipher.unwrap(wrappedKey, "AES", Cipher.SECRET_KEY);
 
 cipher = Cipher.getInstance("AES");
 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
 
 com.galen.v2ch09.rsa.Util.crypt(in, out, cipher);
 }
 }
 }
 }

代码中使用到的公共类如下：

package com.galen.v2ch09.rsa;
    
    import java.io.*;
    import java.security.*;
    import javax.crypto.*;
    
    public class Util { 
        /** * Uses a cipher to transform the bytes in an input stream and sends the transformed bytes to an * output stream. * * @param in the input stream * @param out the output stream * @param cipher the cipher that transforms the bytes */
        public static void crypt(InputStream in, OutputStream out, Cipher cipher) throws IOException,
                GeneralSecurityException { 
            int blockSize = cipher.getBlockSize();
            int outputSize = cipher.getOutputSize(blockSize);
            byte[] inBytes = new byte[blockSize];
            byte[] outBytes = new byte[outputSize];
    
            int inLength = 0;
            ;
            boolean more = true;
            while (more) { 
                inLength = in.read(inBytes);
                if (inLength == blockSize) { 
                    int outLength = cipher.update(inBytes, 0, blockSize, outBytes);
                    out.write(outBytes, 0, outLength);
                } else more = false;
            }
            if (inLength > 0) outBytes = cipher.doFinal(inBytes, 0, inLength);
            else outBytes = cipher.doFinal();
            out.write(outBytes);
        }
    }

# 3 数字签名 #

> java核心技术卷2【core java】中有这样一个例子，一位亿万富翁生前留下遗嘱：“我死了之后，我的财产将由我的孩子们评分，但是，我的儿子George应该拿不到一分钱”。遗嘱的信息是公开的（不用保密），但是遗嘱的内容不能被篡改。那么数字签名的作用，就类似于指纹或者个人手写签名的作用。

数字签名是数据安全中的典型应用之一，主要作用是保证数据内容在传输过程中，没有被篡改。数字签名的使用方法包括：1、计算出消息摘要，2、对消息摘要加密，3、证书认证。

## 3.1 消息摘要（message digest） ##

消息摘要（message digest），即数据信息的数字指纹。消息摘要的主要特性：如果数据的1位或者几位改变了，那么消息摘要也将改变。  
**消息摘要是通过哈希算法计算得到的**，如果消息的内容改变了，那么改变后的消息的摘要与原消息的摘要是不匹配的。如果消息的内容与消息的摘要分开传递的话，接受者就可以用摘要来检查消息的内容是否发生过改变。但是如果消息的内容和消息的摘要同时被截获了，对消息进行修改，再重新计算摘要，发送给接收方，那么接收方就无法判断内容是否被篡改过了。所以，仅靠消息摘要，也是无法完全保证消息内容不被篡改的。

**这里就涉及到了数据签名的更加严谨的方式：计算出消息摘要后，再对消息摘要加密（即消息签名）。**

## 3.2 数字签名 ##

消息签名涉及到非对称加密算法。下面以Alice给Bob发送了一个邮件，采用数字签名的方式，实现的具体步骤：  
1、Alice写了一个邮件；  
2、使用hash算法，如MD5算法，计算得到该邮件内容的摘要（一个指定长度的hash字符串）；  
3、Alice用它的私钥对摘要加密；  
4、将邮件以及加密后的摘要发送给Bob；  
5、Bob用Alice的公钥解密邮件摘要，得到摘要A；  
6、Bob采用同样的hash算法计算该邮件的摘要，得到摘要B；  
结论：  
1、上述第5步，如果使用Alice的公钥解开了摘要，那么就说明该邮件是Alice发送的；  
2、上述第5步，第6步得到的摘要A=摘要B，则证明邮件在传输过程中没有被修改过。

**进一步讨论，这里可能产生新的问题：公钥是公开的并且可以自行导入到电脑，如果George偷偷在Bob的电脑用自己公钥替换了Alice的公钥，然后用自己的私钥给Bob发送Email，这时Bob收到邮件其实是被George冒充的，但是他无法察觉。所以这里引申出来另外解决办法：数字证书。**

## 3.3 数字证书 ##

上面第2点描述的安全漏洞根源在哪？就是Alice的公钥很容易被替换！那么数字证书是怎么生成的呢？以及如何配合数字签名工作呢？

1、首先Alice去找"证书中心"（certificate authority，简称CA），为公钥做认证。证书中心用自己的私钥，对Alice的公钥和一些相关信息一起加密，生成"数字证书"（Digital Certificate）：  
![在这里插入图片描述][20200414114025665.png]  
2、A在邮件正文下方除了数字签名，另外加上这张数字证书  
![在这里插入图片描述][20200414114045945.png]  
3、Bob收到Email后用CA的公钥解密这份数字证书，拿到Alice的公钥，然后验证数字签名，后面流程就和上一步的流程一样了，不再赘述。

**和数字签名一样我在梳理这个流程时有下面几点疑惑：**  
(1) 假设数字证书被伪造了呢？  
答案：是的，传输中数字证书有可能被篡改。因此数字证书也是经过数字签名的，是不是感觉很绕貌似陷入了“鸡生蛋蛋生鸡”，我保证这是最后一个蛋- - ！上文说道数字签名的作用就是验证数据来源以及数据完整性！B收到邮件后可以先验证这份数字证书的可靠性，通过后再验证数字签名。

(2) 要是有1万个人要给B发邮件，难道Bob要保存1万份不同的CA公钥吗？  
答案：不需要，CA认证中心给可以给Bob一份“根证书”，里面存储CA公钥来验证所有CA分中心颁发的数字证书。CA中心是分叉树结构，类似于公安部->省公安厅->市级派出所，不管A从哪个CA分支机构申请的证书，Bob只要预存根证书就可以验证下级证书可靠性。

(3) 如何验证根证书可靠性？  
答案：无法验证。根证书是自验证证书，CA机构是获得社会绝对认可和有绝对权威的第三方机构，这一点保证了根证书的绝对可靠。如果根证书都有问题那么整个加密体系毫无意义。

# 4 内容加密 #

上面内容介绍的都是对数字签名进行认证，确保信息传递过程中的不被篡改。那么数据安全的另外一个方面，就是数据内容加密。并不是所有信息都需要加密，加密后的信息内容是不可见的，在用户账户，用户密码，个人身份等敏感信息传递过程中使用。

*  对于内容加密，有两种处理方式，对称加密（对称加密算法，对称密码）和非对称加密（非对称加密算法，公共密钥，私有密钥）。
 *  对称加密，采用同一密码，运算快，安全度低；非对称加密，采用公私钥加密，运算慢，安全度高。当数据内容量大的情况下，我们采用对称加密，同时将对称密码采用非对称加密。（详细见2.3代码的实现方式）

# 5、源码说明 #

(1) 当使用javac命令编译源码时，需要将teminal定位到source folder目录（一般是source目录）的下一级目录，然后进行编译或者运行。否则，引用其他类时，会出现“错误：找不到符号”。如：  
![在这里插入图片描述][20200418151212766.png]  
(2) source folder目录可以在project structure中看到：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3h1amluZ2dlbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
(3) 代码中使用到的文件，统一放在 source folder（本例中为src）目录下，这样可以直接通过文件名获取到。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3h1amluZ2dlbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
本文源码：[https://gitee.com/muziye/core-java.git][https_gitee.com_muziye_core-java.git]请查看v2ch09章节部分  
推荐阅读：  
1、阮一峰老师的博文：[【数据安全】一、数字签名是什么？][Link 1]  
2、[【数据安全】一、通俗理解数字签名，数字证书和https][https]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3h1amluZ2dlbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230528/c5379179ad8d425f80741811843c5709.png
[20200414114025665.png]: /images/20230528/2987cd1ad6c146b39a399a4455fc726f.png
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[20200418151212766.png]: /images/20230528/453e7eb232b940d3ac78db484b3e009a.png
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[https_gitee.com_muziye_core-java.git]: https://gitee.com/muziye/core-java.git
[Link 1]: https://blog.csdn.net/dear_little_bear/article/details/105509075
[https]: https://blog.csdn.net/dear_little_bear/article/details/105509125