Java实现7种常见密码算法

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简介#

前面在密码学入门一文中讲解了各种常见的密码学概念、算法与运用场景，但没有介绍过代码，因此，为作补充，这一篇将会介绍使用Java语言如何实现使用这些算法，并介绍一下使用过程中可能遇到的坑。

Java加密体系JCA#

Java抽象了一套密码算法框架JCA(Java Cryptography Architecture)，在此框架中定义了一套接口与类，以规范Java平台密码算法的实现，而Sun，SunRsaSign，SunJCE这些则是一个个JCA的实现Provider，以实现具体的密码算法，这有点像List与ArrayList、LinkedList的关系一样，Java开发者只需要使用JCA即可，而不用管具体是怎么实现的。

JCA里定义了一系列类，如Cipher、MessageDigest、MAC、Signature等，分别用于实现加密、密码学哈希、认证码、数字签名等算法，一起来看看吧！

对称加密#

对称加密算法，使用Cipher类即可，以广泛使用的AES为例，如下：

public byte[] encrypt(byte[] data, Key key) {
    try {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        byte[] iv = SecureRandoms.randBytes(cipher.getBlockSize());
        //初始化密钥与加密参数iv
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, new IvParameterSpec(iv));
        //加密
        byte[] encryptBytes = cipher.doFinal(data);
        //将iv与密文拼在一起
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(iv.length + encryptBytes.length);
        baos.write(iv);
        baos.write(encryptBytes);
        return baos.toByteArray();
    } catch (Exception e) {
        return ExceptionUtils.rethrow(e);
    }
}

public byte[] decrypt(byte[] data, Key key) {
    try {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        //获取密文前面的iv
        IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(data, 0, cipher.getBlockSize());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, ivSpec);
        //解密iv后面的密文
        return cipher.doFinal(data, cipher.getBlockSize(), data.length - cipher.getBlockSize());
    } catch (Exception e) {
                return ExceptionUtils.rethrow(e);
    }
}

如上，对称加密主要使用Cipher，不管是AES还是DES，Cipher.getInstance()传入不同的算法名称即可，这里的Key参数就是加密时使用的密钥，稍后会介绍它是怎么来的，暂时先忽略它。
另外，为了使得每次加密出来的密文不同，我使用了随机的iv向量，并将iv向量拼接在了密文前面。

注：如果某个算法名称，如上面的AES/CBC/PKCS5Padding，你不知道它在JCA中的标准名称是什么，可以到 https://docs.oracle.com/en/java/javase/11/docs/specs/security/standard-names.html 中查询即可。

非对称加密#

非对称加密同样是使用Cipher类，只是传入的密钥对象不同，以RSA算法为例，如下：

public byte[] encryptByPublicKey(byte[] data, PublicKey publicKey){
    try{
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
        return cipher.doFinal(data);
    }catch (Exception e) {
        throw Errors.toRuntimeException(e);
    }
}

public byte[] decryptByPrivateKey(byte[] data, PrivateKey privateKey){
    try{
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        return cipher.doFinal(data);
    }catch (Exception e) {
        throw Errors.toRuntimeException(e);
    }
}

一般来说应使用公钥加密，私钥解密，但其实反过来也是可以的，这里的PublicKey与PrivateKey也先忽略，后面会介绍它怎么来的。

密码学哈希#

密码学哈希算法包括MD5、SHA1、SHA256等，在JCA中都使用MessageDigest类即可，如下：

public static String sha256(byte[] bytes) throws NoSuchAlgorithmException {
    MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
    digest.update(bytes);
    return Hex.encodeHexString(digest.digest());
}

消息认证码#

消息认证码使用Mac类实现，以常见的HMAC搭配SHA256为例，如下：

public byte[] digest(byte[] data, Key key) throws InvalidKeyException, NoSuchAlgorithmException{
    Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
    mac.init(key);
    return mac.doFinal(data);
}

数字签名#

数字签名使用Signature类实现，以RSA搭配SHA256为例，如下：

public byte[] sign(byte[] data, PrivateKey privateKey) {
    try {
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA");
        signature.initSign(privateKey);
        signature.update(data);
        return signature.sign();
    } catch (Exception e) {
        return ExceptionUtils.rethrow(e);
    }
}

public boolean verify(byte[] data, PublicKey publicKey, byte[] sign) {
    try {
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA");
        signature.initVerify(publicKey);
        signature.update(data);
        return signature.verify(sign);
    } catch (Exception e) {
        return ExceptionUtils.rethrow(e);
    }
}

密钥协商算法#

在JCA中，使用KeyAgreement来调用密钥协商算法，以ECDH协商算法为例，如下：

public static void testEcdh() {
    KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("EC");
    ECGenParameterSpec ecSpec = new ECGenParameterSpec("secp256r1");
    keyGen.initialize(ecSpec);
    // A生成自己的私密信息
    KeyPair keyPairA = keyGen.generateKeyPair();
    KeyAgreement kaA = KeyAgreement.getInstance("ECDH");
    kaA.init(keyPairA.getPrivate());
    // B生成自己的私密信息
    KeyPair keyPairB = keyGen.generateKeyPair();
    KeyAgreement kaB = KeyAgreement.getInstance("ECDH");
    kaB.init(keyPairB.getPrivate());

    // B收到A发送过来的公用信息，计算出对称密钥
    kaB.doPhase(keyPairA.getPublic(), true);
    byte[] kBA = kaB.generateSecret();

    // A收到B发送过来的公开信息，计算对对称密钥
    kaA.doPhase(keyPairB.getPublic(), true);
    byte[] kAB = kaA.generateSecret();
    Assert.isTrue(Arrays.equals(kBA, kAB), "协商的对称密钥不一致");
}

基于口令加密PBE#

通常，对称加密算法需要使用128位字节的密钥，但这么长的密钥用户是记不住的，用户容易记住的是口令，也即password，但与密钥相比，口令有如下弱点：

1. 口令通常较短，这使得直接使用口令加密的强度较差。
2. 口令随机性较差，因为用户一般使用较容易记住的东西来生成口令。

为了使得用户能直接使用口令加密，又能最大程度避免口令的弱点，于是PBE(Password Based Encryption)算法诞生，思路如下：

1. 既然密码算法需要密钥，那在加解密前，先使用口令生成密钥，然后再使用此密钥去加解密。
2. 为了弥补口令随机性较差的问题，生成密钥时使用随机盐来混淆口令来产生准密钥，再使用散列函数对准密钥进行多次散列迭代，以生成最终的密钥。

因此，使用PBE算法进行加解密时，除了要提供口令外，还需要提供随机盐(salt)与迭代次数(iteratorCount)，如下：

public static byte[] encrypt(byte[] plainBytes, String password, byte[] salt, int iteratorCount) {
    try {
        PBEKeySpec keySpec = new PBEKeySpec(password.toCharArray());
        SecretKey key = SecretKeyFactory.getInstance("PBEWithMD5AndTripleDES").generateSecret(keySpec);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("PBEWithMD5AndTripleDES");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, new PBEParameterSpec(salt, iteratorCount));
        byte[] encryptBytes = cipher.doFinal(plainBytes);
        byte[] iv = cipher.getIV();
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(iv.length + encryptBytes.length);
        baos.write(iv);
        baos.write(encryptBytes);
        return baos.toByteArray();
    } catch (Exception e) {
        throw Errors.toRuntimeException(e);
    }
}

public static byte[] decrypt(byte[] secretBytes, String password, byte[] salt, int iteratorCount) {
    try {
        PBEKeySpec keySpec = new PBEKeySpec(password.toCharArray());
        SecretKey key = SecretKeyFactory.getInstance("PBEWithMD5AndTripleDES").generateSecret(keySpec);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("PBEWithMD5AndTripleDES");
        IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(secretBytes, 0, cipher.getBlockSize());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, new PBEParameterSpec(salt, iteratorCount, ivParameterSpec));
        return cipher.doFinal(secretBytes, cipher.getBlockSize(), secretBytes.length - cipher.getBlockSize());
    } catch (Exception e) {
        throw Errors.toRuntimeException(e);
    }
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    byte[] content = "hello".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
    byte[] salt = Base64.decode("QBadPOP6/JM=");
    String password = "password";
    byte[] encoded = encrypt(content, password, salt, 1000);
    System.out.println("密文:" + Base64.encode(encoded));
    byte[] plainBytes = decrypt(encoded, password, salt, 1000);
    System.out.println("明文:" + new String(plainBytes, StandardCharsets.UTF_8));
}

注意，虽然使用PBE加解密数据，都需要使用相同的password、salt、iteratorCount，但这里面只有password是需要保密的，salt与iteratorCount不需要，可以保存在数据库中，比如每个用户注册时给他生成一个随机盐。

到此，JCA密码算法就介绍完了，来回顾一下：

整体来说，JCA对密码算法相关的类设计与封装还是非常清晰简单的！

但使用密码算法时，依赖SecretKey、PublicKey、PrivateKey对象提供密钥信息，那这些密钥对象是怎么来的呢？

密钥生成与读取#

密码学随机数#

密码学随机数算法在安全场景中使用广泛，如：生成对称密钥、盐、iv等，因此相比普通的随机数算法(如线性同余)，它需要更高强度的不可预测性，在Java中，使用SecureRandom来生成更安全的随机数，如下：

public class SecureRandoms {
	public static byte[] randBytes(int len) throws NoSuchAlgorithmException {
		byte[] bytes = new byte[len];
		SecureRandom secureRandom = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
		secureRandom.nextBytes(bytes);
		return bytes;
	}
}

SecureRandom使用了更高强度的随机算法，同时会读取机器本身的随机熵值，如/dev/urandom，因此相比普通的Random，它具有更强的随机性，因此，对于需要生成密钥的场景，该用哪个要拧得清。

对称密钥#

在JCA中对称密钥使用SecretKey表示，若要生成一个新的SecretKey，可使用KeyGenerator，如下：

//生成新的密钥
public static SecretKey genSecretKey() {
    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
    keyGenerator.init(SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG"));
    SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
}

而如果是从文件中读取密钥的话，则可以借助SecretKeyFactory将其转换为SecretKey，如下：

//读取密钥
public static SecretKey getSecretKey() {
    byte[] keyBytes = readKeyBytes();
    String alg = "AES";
    SecretKey secretKey = SecretKeyFactory.getInstance(alg).generateSecret(new SecretKeySpec(keyBytes, alg));
}

非对称密钥#

在JCA中，对于非对称密钥，公钥使用PublicKey表示，私钥使用PrivateKey表示，若要生成一个新的公私钥对，可使用KeyPairGenerator，如下：

//生成新的公私钥对
public static void genKeyPair() {
    KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
    keyPairGen.initialize(2048);
    KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
    PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
    PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
}

而如果是从文件中读取公私钥的话，一般公钥是X509格式，而私钥是PKCS8格式，分别对应JCA中的X509EncodedKeySpec与PKCS8EncodedKeySpec，如下：

//读取私钥
public static PrivateKey getPrivateKey() {
    byte[] privateKeyBytes = readPrivateKeyBytes();
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKeyBytes);
    PrivateKey privateKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
}

//读取公钥
public static PublicKey getPublicKey() {
    byte[] publicKeyBytes = readPublicKeyBytes();
    X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKeyBytes);
    PublicKey publicKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(x509EncodedKeySpec);
}

注意，KeyGenerator、KeyPairGenerator与KeyFactory从命名上看起来有点相似，但它们实现的功能是完全不同的，KeyGenerator、KeyPairGenerator用于生成新的密钥，而KeyFactory则用于将KeySpec转换为对应的Key密钥对象。

JCA密钥相关类关系一览，如下：

常见问题#

密文无法解密问题#

有时，在使用密码算法时，会发现别人提供的密文使用正确的密钥却无法解密出来，特别容易发生在跨语言的情况下，如加密方使用的C#语言，而解密方却使用的Java。

遇到这种情况，你需要和对方认真确认加密时使用的加密模式、填充模式以及IV等密码参数是否完全一致。

如AES算法加密模式有ECB、CBC、CFB、CTR、GCM等，填充模式有PKCS#5, ISO 10126, ANSI X9.23等，以及对方是使用了固定的IV向量还是将IV向量拼在了密文中，这些都需要确认清楚并与对方保持一致才能正确解密。

签名失败问题#

签名失败也是使用密码算法时常见的情况，比如对方生成的MD5值与你生成的MD5不一致，常见有2种原因，如下：
1. 使用的字符编码不一致导致
密码算法为了通用性，操作对象都是字节数组，而你要签名的对象一般是字符串，因此你需要将字符串转为字节数组之后再做md5运算，如下：

• 调用方：md5(str.getBytes())
• 服务方：md5(str.getBytes())

看起来两边的代码一模一样，但问题就在getBytes()函数中，getBytes()函数默认会使用操作系统的字符编码将字符串转为字节数组，而中文Windows默认字符编码是GBK，而Linux默认是UTF-8，这就导致当str中有中文时，调用方与服务方获取到的字节数组是不一样的，那生成的MD5值当然也不一样了。

因此，强烈推荐在使用getBytes()函数时，传入统一的字符编码，如下：

• 调用方：md5(str.getBytes("UTF-8"))
• 服务方：md5(str.getBytes("UTF-8"))
  这样就能有效地避过这个非常隐晦的坑了。

2. json的escape功能导致
有些json框架，做json序列化时会默认做一些转义操作，如把&字符转义为\u0026，但如果服务端做json反序列化时没有做反转义，这会导致两边计算的签名值不一样，如下：

• 调用方：md5("&")
• 服务方：md5("\\u0026")
  这也是一个非常隐晦的坑，如Gson默认就会有这种行为，可使用new GsonBuilder().disableHtmlEscaping()禁用。

生成与读取证书#

概念#

随着对密码学了解的深入，会发现有特别多奇怪的名词出现，让人迷惑不已，如PKCS8、X.509、ASN.1、DER、PEM等，接下来就来澄清下这些名词是什么，以及它们之间的关系。

首先，了解3个概念，如下：

• 密钥：包括对称密钥与非对称密钥等。
• 证书：包含用户或网站的身份信息、公钥，以及CA的签名。
• 密钥库：用于存储密钥与证书的仓库。

ASN.1语法#

ASN.1抽象语法标记（Abstract Syntax Notation One），和XML、JSON类似，用于描述对象结构，可以把它看成一种描述语言，简单的示例如下：

Report ::= SEQUENCE {
author OCTET STRING,
title OCTET STRING,
body OCTET STRING,
}

这个语法描述了一个结构体，它包含3个属性author、title、body，且都是字符串类型。

DER与PEM#

DER是ASN.1的一种序列化编码方案，也就是说ASN.1用来描述对象结构，而DER用于将此对象结构编码为可存储的字节数组。

PEM(Privacy Enhanced Mail)是一种将二进制数据，以文本形式进行存储或传输的方案，早期主要用于邮件中交换证书，它的文本内容常以-----BEGIN XXX-----开头，并以-----END XXX-----结尾，而中间 Body 部分则为 Base64 编码后的数据，如下是一个证书的PEM样例。

以上面证书为例，PEM与DER的关系大概如下：

PEM = "-----BEGIN CERTIFICATE-----" + base64(DER) +  "-----END CERTIFICATE-----"

X.509、PKCS8、PKCS12等#

X.509、PKCS8、PKCS12等都是公钥密码学标准(PKCS)组织制定的各种密码学规范，该组织使用ASN.1语法为密钥、证书、密钥库等定义了标准的对象结构，常见的如下：

• X.509规范：用于描述证书与公钥的标准格式。
• PKCS7规范：可描述的对象很多，不过一般也是用于描述证书的。
• PKCS8规范：用于描述私钥的标准格式。
• PKCS12规范：用于描述密钥库的标准格式。
• PKCS1规范：用于描述RSA算法及其公私钥的标准格式。

这些规范都有相应的RFC文档，感兴趣的可以前往查看：

PEM：https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc7468   
X.509：https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc5280  
PKCS7：https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc2315  
PKCS8：https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc8351  
PKCS12：https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc7292  
PKCS1：https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc8017#appendix-A  

类比一下，如果把ASN.1比作Java，那X.509就是使用Java定义的一个名叫X509的类，这个类里面包含身份信息、公钥信息等相关字段，而DER就是一种Java对象序列化方案，用于将X509这个类的对象序列化为字节数组，字节数组保存为文件后，这个文件就是我们常说的证书或密钥文件。

常见证书文件#

由于PKCS组织并未给证书文件定下标准的文件名后缀，所以证书文件有非常多的后缀名，如下：

• .der: DER编码的证书，一般是X.509规范的，无法用文本编辑器直接打开
• .pem: PEM编码的证书，一般是X.509规范的
• .crt: 常见于unix类系统，一般是X.509规范的，可能是DER编码或PEM编码
• .cer: 常见于windows系统，一般是X.509规范的，可能是DER编码或PEM编码
• .p7b: 常见于windows系统，PKCS7规范证书，可能是DER编码或PEM编码
• .pfx：PKCS12规范的密钥库文件，也有取名为.p12的
• .jks：java专用的密钥库文件格式，在java技术栈内使用较多，非java一般使用.pfx

证书概念小结#

生成证书与密钥库#

openssl命令提供了大量的工具，用以生成密钥、证书与密钥库文件，如下，是一个典型的生成密钥与证书的过程：

# 生成pkcs1 rsa私钥
openssl genrsa -out rsa_private_key_pkcs1.key 2048
# 生成pkcs1 rsa公钥
openssl rsa -in rsa_private_key_pkcs1.key -RSAPublicKey_out -out rsa_public_key_pkcs1.key

# 生成证书申请文件cert.csr
openssl req -new -key rsa_private_key_pkcs1.key -out cert.csr
# 自签名(演示时使用，生产环境一般不用自签证书)  
openssl x509 -req -days 365 -in cert.csr -signkey rsa_private_key_pkcs1.key -out cert.crt
# ca签名(将证书申请文件提交给ca机构签名)
openssl x509 -req -days 365 -in cert.csr -CA ca_cert.crt -CAkey ca_private_key.pem -CAcreateserial -out cert.crt

# 生成p12密钥库文件
openssl pkcs12 -export -in cert.crt -inkey rsa_private_key_pkcs1.key -name demo -out keystore.p12

有时别人发来的密钥或证书文件无法读取，也可使用openssl确认一下，如果openssl能读出来，那大概率是自己程序有问题，如果openssl读不出来，那大概率是别人发的文件有问题，如下：

# 查看pkcs1 rsa私钥
openssl rsa -in rsa_private_key_pkcs1.key -text -noout
# 查看pkcs1 rsa公钥
openssl rsa -RSAPublicKey_in -in rsa_public_key_pkcs1.key -text -noout

# 查看x.509证书
openssl x509 -in cert.crt -text -nocert

# 查看pkcs12密钥库文件
openssl pkcs12 -in keystore.p12
keytool -v -list -storetype pkcs12 -keystore keystore.p12

由于密钥、证书、密钥库文件，其实都是使用ASN.1语法描述的，所以它们都能按ASN.1语法解析出来，如下：

openssl asn1parse -i -inform pem -in cert.crt

证书格式转换#

某些情况下，我们需要在不同格式的密钥或证书文件之间转换，也可使用openssl命令来完成。
密钥格式转换，如下：

# rsa公钥转换为X509公钥
openssl rsa -RSAPublicKey_in -in rsa_public_key_pkcs1.key -pubout -out public_key_x509.key
# rsa私钥转换为PKCS8格式
openssl pkcs8 -topk8 -inform PEM -in rsa_private_key_pkcs1.key -outform PEM -nocrypt -out private_key_pkcs8.key
# pkcs8转rsa私钥
openssl pkcs8 -inform PEM -nocrypt -in private_key_pkcs8.key -traditional -out rsa_private_key_pkcs1.key

证书格式转换，如下：

# 证书DER转PEM
openssl x509 -inform der -in cert.der -outform pem -out cert.pem -noout
# x509证书转pkcs7证书
openssl crl2pkcs7 -nocrl -certfile cert.crt -out cert.p7b
# 查看pkcs7证书
openssl pkcs7 -print_certs -in cert.p7b -noout

由于密钥库中包含证书与私钥，故可以从密钥库文件中提取出证书与私钥，如下：

# 从pkcs12密钥库中提取证书
openssl pkcs12 -in keystore.p12 -clcerts -nokeys -out cert.crt
# 从pkcs12密钥库中提取私钥
openssl pkcs12 -in keystore.p12 -nocerts -nodes -out private_key.key
# pkcs12转jks
keytool -importkeystore -srckeystore keystore.p12 -srcstoretype pkcs12 -srcalias demo -destkeystore keystore.jks -deststoretype jks -deststorepass 123456 -destalias demo
# 从jks中提取证书
keytool -export -alias demo -keystore keystore.jks -file cert.crt

读取密钥或证书文件#

使用JCA来读取密钥或证书文件，也是非常方便的。

PEM转DER#

若要将PEM格式文件转换为DER，只需要把---BEGIN XXX---与---END XXX---去掉，然后使用Base64解码即可，如下：

private static byte[] pemFileToDerBytes(String pemFilePath) throws IOException {
    InputStream is = ClassLoader.getSystemClassLoader().getResourceAsStream(pemFilePath);
    String pemStr = StreamUtils.copyToString(is, StandardCharsets.UTF_8);
    //去掉---BEGIN XXX---与---END XXX---
    pemStr = pemStr.replaceAll("---+[^-]+---+", "")
            .replaceAll("\\s+", "");
    //base64解码为DER二进制内容
    return Base64.getDecoder().decode(pemStr);
}

读取PKCS8私钥#

在JCA中，使用PKCS8EncodedKeySpec解析PKCS8私钥文件，如下：

public static void testPkcs8PrivateKeyFile() {
    byte[] derBytes = pemFileToDerBytes("cert/private_key_pkcs8.key");
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(derBytes);
    RSAPrivateCrtKey rsaPrivateCrtKey = (RSAPrivateCrtKey)KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
    BigInteger n = rsaPrivateCrtKey.getModulus();
    BigInteger e = rsaPrivateCrtKey.getPublicExponent();
    BigInteger d = rsaPrivateCrtKey.getPrivateExponent();
    System.out.printf(" n: %X \n e: %X \n d: %X \n", n, e, d);
    BigInteger plain = BigInteger.valueOf(new Random().nextInt(1000000000));
    // RSA加密
    long t1 = System.nanoTime();
    BigInteger secret = plain.modPow(e, n);
    long t2 = System.nanoTime();
    // RSA解密
    BigInteger plain2 = secret.modPow(d, n);
    long t3 = System.nanoTime();
    System.out.printf(" plain: %d \n plain2: %d \n", plain, plain2);
    System.out.printf("enc time: %d \n", (t2 - t1));
    System.out.printf("dec time: %d \n", (t3 - t2));
}

读取X.509公钥#

在JCA中，使用X509EncodedKeySpec解析X.509公钥文件，如下：

public static void testX509PublicKeyFile() {
    byte[] derBytes = pemFileToDerBytes("cert/public_key_x509.key");
    X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(derBytes);
    RSAPublicKey rsaPublicKey = (RSAPublicKey)KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(x509EncodedKeySpec);
    BigInteger e = rsaPublicKey.getPublicExponent();
    BigInteger n = rsaPublicKey.getModulus();
    System.out.printf(" e: %X \n n: %X \n", e, n);
}

读取X.509证书#

读取X.509证书文件，可使用CertificateFactory类，如下：

public static void testX509CertFile() {
    byte[] derBytes = pemFileToDerBytes("cert/cert.crt");
    Collectionextends Certificate> certificates = CertificateFactory.getInstance("X.509")
            .generateCertificates(new ByteArrayInputStream(derBytes));
    for(Certificate certificate : certificates){
        X509Certificate x509Certificate = (X509Certificate)certificate;
        System.out.printf("SubjectDN: %s \n", x509Certificate.getSubjectDN());
        System.out.printf("IssuerDN: %s \n", x509Certificate.getIssuerDN());
        System.out.printf("SigAlgName: %s \n", x509Certificate.getSigAlgName());
        System.out.printf("Signature: %s \n", Hex.encodeHexString(x509Certificate.getSignature()));
        System.out.printf("PublicKey: %s \n", x509Certificate.getPublicKey());
    }
}

读取PKCS12密钥库文件#

读取PKCS12规范的密钥库文件，可使用KeyStore类，如下：

public static void testPkcs12File() {
    KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance("PKCS12");
    InputStream is = ClassLoader.getSystemClassLoader().getResourceAsStream("cert/keystore.p12");
    char[] password = "123456".toCharArray();
    keyStore.load(is, password);
    //获取证书
    X509Certificate x509Certificate = (X509Certificate)keyStore.getCertificate("demo");
    System.out.println("X509Certificate: ");
    System.out.printf("SubjectDN: %s \n", x509Certificate.getSubjectDN());
    System.out.printf("IssuerDN: %s \n", x509Certificate.getIssuerDN());
    System.out.printf("SigAlgName: %s \n", x509Certificate.getSigAlgName());
    System.out.printf("Signature: %s \n", Hex.encodeHexString(x509Certificate.getSignature()));
    System.out.printf("PublicKey: %s \n", x509Certificate.getPublicKey());
    //获取私钥
    Key key = keyStore.getKey("demo", password);
    System.out.printf("PrivateKey: %s \n", key);
}

如果要读取.jks文件，只需要将KeyStore.getInstance("PKCS12")中的PKCS12更换为JKS即可，其它部分保持不变，不过由于JKS是java专有格式，目前java也不推荐使用了，所以能不用的话，就尽量不要用了。

常见问题#

证书信任问题#

证书的绝大多数应用场景是Https协议，但在访问https接口时，有时会由于证书信任问题导致https握手失败，主要有以下2点原因：

1. 有些公司会自建CA，使用自签证书，如早期的12306，而jdk只信任它预置的根证书，所以https握手时这种证书会认证失败。
2. 新成立的根CA机构证书，没预置在旧的jdk里面，导致这些CA机构签发的证书不被信任。

要解决这种证书信任问题，有两种方法，如下：
1. 将证书导致到jdk的预置证书库中

# 将cert.crt导入jdk预置密钥库文件，密钥库文件密码默认是changeit
sudo keytool -importcert -file cert.crt -alias demo -keystore $JAVA_HOME/jre/lib/security/cacerts -storepass changeit

# 查看密钥库文件，检查是否导入成功
keytool -list -v -alias demo -keystore $JAVA_HOME/jre/lib/security/cacerts -storepass changeit

2. 以编码的方式信任证书
以jdk自带的https sdk为例，可在代码中手动将问题证书添加到信任列表中，如下：

public String testReqHttpsTrustCert() throws Exception {
    // 读取jdk预置证书
    KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());
    try(InputStream ksIs = new FileInputStream(System.getProperty("java.home") + "/lib/security/cacerts")) {
        keyStore.load(ksIs, "changeit".toCharArray());
    }

    // 读取证书文件
    CertificateFactory cf = CertificateFactory.getInstance("X.509");
    try(InputStream certIs = this.getClass().getResourceAsStream("/cert/cert.crt")) {
        Certificate c = cf.generateCertificate(certIs);
        keyStore.setCertificateEntry("demo", c);
    }

    // 生成信任管理器
    TrustManagerFactory tmFact = TrustManagerFactory.getInstance(TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm());
    tmFact.init(keyStore);

    // 生成SSLSocketFactory
    SSLContext sslContext = SSLContext.getInstance("TLSv1.2");
    sslContext.init(null, tmFact.getTrustManagers(), new SecureRandom());
    SSLSocketFactory ssf = sslContext.getSocketFactory();

    // 发送https请求
    URL url = new URL("https://www.demo.com/user/list");
    HttpsURLConnection connection = (HttpsURLConnection) url.openConnection();
    connection.setHostnameVerifier((hostname, session) -> hostname.endsWith("demo.com"));
    connection.setSSLSocketFactory(ssf);

    String result;
    try(InputStream inputStream = connection.getInputStream()){
        result = IOUtils.toString(inputStream, StandardCharsets.UTF_8);
    }
    connection.disconnect();
    return result;
}

注：虽然2种方法都可以解决问题，但第1种方法使得java程序对环境形成了依赖，一旦部署环境发生变化，java程序可能就报错了，因此更推荐使用第2种方法。

总结#

到这里，JCA相关类的使用就介绍完了，如下表格中总结了JCA的常用类：

本篇花了近一周时间整理，内容较多，对这块不太熟悉的同学，可以先关注收藏起来当示例手册，待需要时再参阅即可。