加密服务总是关联到一个特定的算法或类型,它既提供了密码操作(如Digital Signature或MessageDigest),生成或供应所需的加密材料(Key或Parameters)加密操作,也会以一个安全的方式生成数据对象(KeyStore或Certificate),封装(压缩)密钥(可以用于加密操作)。
Java Security API中，一个engine class就是定义了一种加密服务，不同的engine class提供不同的服务。下面就来看看有哪些engine class：
1）MessageDigest：对消息进行hash算法生成消息摘要（digest）。
2）Signature：对数据进行签名、验证数字签名。
3）KeyPairGenerator：根据指定的算法生成配对的公钥、私钥。
4）KeyFactory：根据Key说明（KeySpec）生成公钥或者私钥。
5）CertificateFactory：创建公钥证书和证书吊销列表（CRLs）。
6）KeyStore：keystore是一个keys的数据库。Keystore中的私钥会有一个相关联的证书链，证书用于鉴定对应的公钥。一个keystore也包含其它的信任的实体。
7）AlgorithmParameters：管理算法参数。KeyPairGenerator就是使用算法参数，进行算法相关的运算，生成KeyPair的。生成Signature时也会用到。
8）AlgorithmParametersGenerator：用于生成AlgorithmParameters。
9）SecureRandom：用于生成随机数或者伪随机数。
10）CertPathBuilder：用于构建证书链。
11）CertPathValidator：用于校验证书链。
12）CertStore：存储、获取证书链、CRLs到（从）CertStore中。
从上面这些engine class中，可以看出JCA（Java加密框架）中主要就是提供了4种服务：Digest、Key、Cert、Signature、Alogorithm。
1） 对消息内容使用某种hash算法就可以生成Digest。
2） 利用KeyFactory、KeyPairGenerator就可以生成公钥、私钥。
3） 证书中心使用公钥就可生成Cert。
4） 可以使用私钥和Digest就可以消息进行签名Signature。
5） 不论是Digest、Key、Cert、Signature，都要使用到算法Algorithm。
JCA Core API
1）engine class的提供商Provider
从JCA的设计上来说，这些engine的实现都离不开Provider。
这个类继承了Properties，提供了JCA中的engine class。每个engine class都有getInstance()方法，它们都是从provider中获取相关实例的。所以说Provider是JCA engine class的提供商。
2）管理Provider的工具：Security
其实就是一个存放Provider的集合。如果你自定义了一个Provider，可以使用Java Security属性文件配置provider，也可以直接使用Security采用编程的方式来添加Provider。然后就可以使用自定义的engine class了。
Java Security 属性文件在Java Security Policy中已有提过。在安装目录下：
下面是一个自定义的Provider：
/**
* @author fs1194361820@163.com
*/
public class XYZProvider extends Provider{
public XYZProvider(){
super("XYZ", 1.0, "XYZ Security Provider v1.0");
put("MessageDigest.XYZ", XYZMessageDigest.class.getName());
}
}
已经默认配置了下列Provider：
配置为：security.provider.11=com.fjn.security.XYZProvider 即可。
编码方式就更加简单了：Security.addProvider(new XYZProvider());
3）消息摘要服务：MessageDigest
消息摘要服务其实就是使用hash算法将一段消息（可以是字符串、文件内容、html等）进行计算生成的一个byte[]。
常用加密算法MD5、SHA、SHA-1其实都是hash算法。
下面就给一个简单的MD5算法工具：
package com.fjn.util; import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
/**
*
* @author fs1194361820@163.com
*
*/
public class MD5 {
private static MessageDigest md5MsgDigest; static{
try {
md5MsgDigest=MessageDigest.getInstance("md5");
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
} // 转字符串
public static String byte2hex(byte[] b){
String hs = "";
String stmp = "";
for (int n = 0; n < b.length; n++) {
stmp = Integer.toHexString(b[n] & 0xFF);
if (stmp.length() == 1)
hs = hs + "0" + stmp;
else
hs = hs + stmp;
}
return hs.toUpperCase();
} public static String getMD5(String srcMsg){
if(srcMsg == null){
throw new IllegalArgumentException("srcMsg is null.");
}
byte[] md5Bytes=md5MsgDigest.digest(srcMsg.getBytes());
return byte2hex(md5Bytes);
} public static void main(String[] args) {
System.out.println(MD5.getMD5("hello"));
System.out.println(MD5.getMD5("world"));
}
}
Md5算法我并没有去实现，因为在JDK中已经内置了md5算法。上面的代码就是使用消息摘要服务，并使用md5算法，生成相应的摘要。
下面来一个自定义的MessageDigest：
package com.fjn.security.messageDigest; import java.security.MessageDigest;
/**
* @author fs1194361820@163.com
*/
public class XYZMessageDigest extends MessageDigest{
private int hash;
private int store;
private int count; public XYZMessageDigest(){
super("XYZ");
engineReset();
} /**
* 算法执行过程，每次执行{@link MessageDigest#update(byte)}时，都会调用这个方法，
* 也就是使用这个算法对在已经计算的数据的基础上再次计算，计算出最新的结果
*/
@Override
protected void engineUpdate(byte b) {
switch (count) {
case 0:
store = (b << 24) & 0xff000000;
break;
case 1:
store |= (b << 16) & 0x00ff0000;
break;
case 2:
store |= (b << 8) & 0x0000ff00;
break;
case 3:
store |= (b << 0) & 0x000000ff;
break;
}
count++;
if(count==4){
hash = hash ^ store;
count = 0;
store = 0;
}
} @Override
protected void engineUpdate(byte[] b, int offset, int length) {
for (int i = 0; i < length; i++){
engineUpdate(b[i + offset]);
}
} /**
* 每次执行{@link MessageDigest#digest()}时，都会获取之前计算好的结果。
* 同时也会将数据置为初始状态。
*/
@Override
protected byte[] engineDigest() {
while (count != 0){
engineUpdate((byte) 0);
}
byte b[] = new byte[4];
b[0] = (byte) (hash >>> 24);
b[1] = (byte) (hash >>> 16);
b[2] = (byte) (hash >>> 8);
b[3] = (byte) (hash >>> 0);
engineReset();
return b;
} /**
* 数据转为初始状态
*/
@Override
protected void engineReset() {
hash = 0;
store = 0;
count = 0;
} }
这个自定义的MessageDigest中备注的内容，其实就是MessageDigest的执行过程，所有的MessageDigest都要遵从这个过程的。
测试用例：
package com.fjn.security.messageDigest; import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.Security; public class XYZMessageDigestTest {
private static String filename="MessageDigestTest.txt";
static{
Security.addProvider(new XYZProvider());
} public static void main(String[] args) throws Exception {
XYZMessageDigestTest test=new XYZMessageDigestTest();
test.writeMessage();
test.readMessage();
} public void writeMessage() throws Exception {
File file=new File(filename);
file.deleteOnExit();
file.createNewFile();
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("XYZ");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
String data = "This have I thought good to deliver thee, "+
"that thou mightst not lose the dues of rejoicing " +
"by being ignorant of what greatness is promised thee.";
byte buf[] = data.getBytes();
md.update(buf);
oos.writeObject(data); // original message
oos.writeObject(md.digest()); // digest oos.close();
} public void readMessage() throws Exception{
File file=new File(filename);
FileInputStream fis=new FileInputStream(file);
ObjectInputStream ois=new ObjectInputStream(fis); Object o = ois.readObject(); // String data: original message
if (!(o instanceof String)) {
System.out.println("Unexpected data in file");
System.exit(-1);
}
String data = (String) o;
System.out.println("Got message : " + data);
o = ois.readObject(); // byte[] : digest
if (!(o instanceof byte[])) {
System.out.println("Unexpected data in file");
System.exit(-1);
}
byte origDigest[] = (byte []) o;
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("XYZ");
md.update(data.getBytes());
if (MessageDigest.isEqual(md.digest(), origDigest))
System.out.println("Message is valid");
else
System.out.println("Message was corrupted"); MessageDigest md2 = MessageDigest.getInstance("SHA");
md2.update(data.getBytes());
if (MessageDigest.isEqual(md2.digest(), origDigest))
System.out.println("Message is valid");
else
System.out.println("Message was corrupted"); ois.close();
}
}
在这个用例中，writeMessage()将一段字符串保存后并将生成的digest也保存。
readMessage()将消息读取后，使用MessageDigest.isEqual()方法进行比较，这样可以知道文件是否被人改动过。
而实际上利用私钥更新签名信息时，就是使用MessageDigest#update()方法的。
4）Key 相关的服务
Key包括公钥（PublicKey）、私钥（PrivateKey）两种。
4.1 KeyPairGenerator
这个服务用于生成PublicKey和PrivateKey。
获取实例后，只需要根据上面4种initialize方法进行初始化后，就可以生成KeyPair了。
@Test
public void generateKeyPair() throws Exception {
// 算法名称有规定的值，不能乱写的
KeyPairGenerator dsaKeyPairGenerator=KeyPairGenerator.getInstance("dsa");
SecureRandom random=SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG","SUN");
random.setSeed(new byte[]{1,2,3,4});
/**
* jdk8: key必须在[512,1024]之间,并且是64的倍数。有的JDK版本要求是8的倍数，这要根据实际情况和需求设定
*/
dsaKeyPairGenerator.initialize(576, random); KeyPair keyPair=dsaKeyPairGenerator.generateKeyPair();
DSAPublicKey puk=(DSAPublicKey)keyPair.getPublic();
DSAPrivateKey pik=(DSAPrivateKey)keyPair.getPrivate(); System.out.println(puk.getFormat());
System.out.println(pik.getFormat()); System.out.println(puk);
System.out.println(pik);
}
第一次调用generateKeyPair()都会生成不同的KeyPair。KeyPairGenerator 每次生成的都是一个KeyPair。
4.2 KeyFactory
KeyFactory用于在Key与KeySpec之间转换，即可以根据key获取到KeySpec，也可以根据KeySpec获取Key。
package com.fjn.security.key; import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.math.BigInteger;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PublicKey;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.spec.DSAPublicKeySpec; import org.junit.Test; public class KeyFactoryTest {
private static final String DSA="DSA";
private static final String keyspecFile="keyspec.text"; @Test
public void genenatePublicKey() throws Exception{
writeKeySpec();
readKeySpec();
} private void writeKeySpec() throws Exception {
File file=new File(keyspecFile);
file.deleteOnExit();
file.createNewFile(); KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance(DSA);
keyGen.initialize(512, new SecureRandom());
KeyPair keyPair=keyGen.generateKeyPair(); KeyFactory factory=KeyFactory.getInstance(DSA);
DSAPublicKeySpec keySpec=factory.getKeySpec(keyPair.getPublic(), DSAPublicKeySpec.class);
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(keySpec.getY());
oos.writeObject(keySpec.getP());
oos.writeObject(keySpec.getQ());
oos.writeObject(keySpec.getG());
oos.flush();
oos.close();
} private void readKeySpec() throws Exception {
KeyFactory factory=KeyFactory.getInstance(DSA);
FileInputStream fis = new FileInputStream(keyspecFile);
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
DSAPublicKeySpec keySpec = new DSAPublicKeySpec(
(BigInteger) ois.readObject(),
(BigInteger) ois.readObject(),
(BigInteger) ois.readObject(),
(BigInteger) ois.readObject());
ois.close();
PublicKey puk=factory.generatePublic(keySpec);
System.out.println("Got private key:\n"+puk);
}
}
5）Cert相关的服务
从上一篇的例子中知道，用户使用的Public Key有可能被不法分子偷偷地窜改，这样用户就得不到应有的服务，也会受到不法分子的危害。如何保证public key不被窜改或者替换呢？认证服务就出现了。
5.1 CertificateFactory
用于生成Certificate或者CRL的。
FileInputStream fis = new FileInputStream(filename);
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis); CertificateFactory cf = CertificateFactory.getInstance("X.509"); while (bis.available() > 0) {
Certificate cert = cf.generateCertificate(bis);
System.out.println(cert.toString());
}
什么是CRL ？
一个证书颁发机构需要证书吊销其颁发的证书——也许是虚假的,或者证书的用户已经使用证书从事非法行为。在这样的情况下,证书的有效期不足保护;证书必须立即失效。
下面的这个例子就是在验证完证书的有效性后，判断这个证书是否是一个吊销的证书。
public Certificate importCertificate(byte data[])
throws CertificateException {
X509Certificate c = null;
try {
CertificateFactory cf = CertificateFactory.getInstance("X509");
ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(data);
c = (X509Certificate) cf.generateCertificate(bais);
Principal p = c.getIssuerDN();
PublicKey pk = getPublicKey(p);
c.verify(pk);
InputStream crlFile = lookupCRLFile(p);
cf = CertificateFactory.getInstance("X509CRL");
X509CRL crl = (X509CRL) cf.generateCRL(crlFile);
if (crl.isRevoked(c))
throw new CertificateException("Certificate revoked");
} catch (NoSuchAlgorithmException nsae) {
throw new CertificateException("Can't verify certificate");
} catch (NoSuchProviderException nspe) {
throw new CertificateException("Can't verify certificate");
} catch (SignatureException se) {
throw new CertificateException("Can't verify certificate");
} catch (InvalidKeyException ike) {
throw new CertificateException("Can't verify certificate");
} catch (CRLException ce) {
// treat as no crl
}
return c;
}
5.2 CertPathBuilder构建证书链CertPath
CertPath就是之前说的证书链。其实就是一个Certificate的有序列表。在列表的最后的一个Cert是一个自签名的Cert。
5.3 CertPathValidator验证Cert链
CertPathValidator用于校验Cert。
6）KeyStore
一个KeyStore是一个key、cert的库，里面存储了PrivateKey, Aliases, Certs.
KeyStore将会有专门的说明。
7）Signature签名
用私钥签名，用公钥验证：
public class SignatureTest {
@Test
public void test() throws Exception{
KeyPairGenerator keyPairGen=KeyPairGenerator.getInstance(Message.alogthem);
keyPairGen.initialize(1024);
KeyPair keyPair= keyPairGen.generateKeyPair();
PublicKey puk=keyPair.getPublic();
PrivateKey pik=keyPair.getPrivate();
String data="Hello, Java.";
Signature signature=Signature.getInstance("SHA1withDSA");
// private key sign
signature.initSign(pik);
signature.update(data.getBytes());
byte[] signinfo=signature.sign();
// public key resolve sign
signature.initVerify(puk);
boolean ok=signature.verify(signinfo);
System.out.println(ok);
signature.update(data.getBytes());
ok=signature.verify(signinfo);
System.out.println(ok);
}
}
到此，JCA部分的engine class已经大体上有个了解了。接下来就是要学习如何应用它们了。