非对称密码之DH密钥交换算法

不念不忘少年蓝@ 2022-07-14 14:41 224阅读 0赞

1、DH算法的简介

DH，全称为“Diffie-Hellman”，他是一种确保共享KEY安全穿越不安全网络的方法，也就是常说的密钥一致协议。由公开密钥密码体制的奠基人Diffie和Hellman所提出的一种思想。

简单的说就是允许两名用户在公开媒体上交换信息以生成“一致”的、可以共享的密钥。也就是由甲方产出一对密钥（公钥、私钥），乙方依照甲方公钥产生乙方密钥对（公钥、私钥）。

以此为基线，作为数据传输保密基础，同时双方使用同一种对称加密算法构建本地密钥（SecretKey）对数据加密。这样，在互通了本地密钥（SecretKey）算法后，甲乙双方公开自己的公钥，使用对方的公钥和刚才产生的私钥加密数据，同时可以使用对方的公钥和自己的私钥对数据解密。不单单是甲乙双方两方，可以扩展为多方共享数据通讯，这样就完成了网络交互数据的安全通讯！

2、DH算法的通信模型

2.1  甲方将自己的公钥发给乙方

![20161213152354492][]

2.2  乙方根据甲方发来的公钥，生成自己的公钥和私钥

![20161213152418145][]

2.3  乙方将自己的公钥发送给甲方

![20161213152459398][]

2.4  甲方和乙方，生成一样的秘钥。用于加密数据

![20161213152527695][]

3、DH算法的数学原理

![20161213213757227][]

4、JDK实现

![20161213213827977][]

5、DH算法的编程步骤

5.1  生成密钥对

![20161213214041306][]

5.2  使用公钥私钥生成本地密钥

![20161213214055025][]

6、DH算法的实现

DHUtil.java

import java.security.InvalidKeyException;
    import java.security.KeyFactory;
    import java.security.KeyPair;
    import java.security.KeyPairGenerator;
    import java.security.NoSuchAlgorithmException;
    import java.security.PrivateKey;
    import java.security.PublicKey;
    import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
    import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
    import java.util.HashMap;
    import java.util.Map;
    import javax.crypto.BadPaddingException;
    import javax.crypto.Cipher;
    import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
    import javax.crypto.KeyAgreement;
    import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
    import javax.crypto.SecretKey;
    import javax.crypto.interfaces.DHPrivateKey;
    import javax.crypto.interfaces.DHPublicKey;
    import javax.crypto.spec.DHParameterSpec;
    
    public class DHUtil {
    	/**
    	 * 定义加密方式
    	 */
    	private static final String KEY_DH = "DH";
    	public static final String PUBLIC_KEY = "DHPublicKey";
    	public static final String PRIVATE_KEY = "DHPrivateKey";
    	// 开始生成本地密钥SecretKey 密钥算法为对称密码算法
    	// 可以为 DES DES AES
    	public static final String KEY_DH_DES = "DES";
    
    	/**
    	 * 甲方初始化并返回密钥对
    	 * 
    	 * @return
    	 */
    	public static Map<String, Object> initKey() {
    		try {
    			// 实例化密钥对生成器
    			KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator
    					.getInstance(KEY_DH);
    			// 初始化密钥对生成器 默认是1024 512-1024 & 64的倍数
    			keyPairGenerator.initialize(1024);
    			// 生成密钥对
    			KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
    			// 得到甲方公钥
    			DHPublicKey publicKey = (DHPublicKey) keyPair.getPublic();
    			// 得到甲方私钥
    			DHPrivateKey privateKey = (DHPrivateKey) keyPair.getPrivate();
    			// 将公钥和私钥封装在Map中， 方便之后使用
    			Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>();
    			keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
    			keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
    			return keyMap;
    		} catch (Exception e) {
    			throw new RuntimeException(e);
    		}
    
    	}
    
    	/**
    	 * 乙方根据甲方公钥初始化并返回密钥对
    	 * 
    	 * @param key
    	 *            甲方的公钥
    	 * @return
    	 */
    	public static Map<String, Object> initKey(byte[] key) {
    		try {
    			// 将甲方公钥从字节数组转换为PublicKey
    			X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(key);
    			// 实例化密钥工厂
    			KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_DH);
    			// 产生甲方公钥pubKey
    			DHPublicKey dhPublicKey = (DHPublicKey) keyFactory
    					.generatePublic(keySpec);
    			// 剖析甲方公钥，得到其参数
    			DHParameterSpec dhParameterSpec = dhPublicKey.getParams();
    			// 实例化密钥对生成器
    			KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator
    					.getInstance(KEY_DH);
    			// 用甲方公钥初始化密钥对生成器
    			keyPairGenerator.initialize(dhParameterSpec);
    			// 产生密钥对
    			KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
    			// 得到乙方公钥
    			DHPublicKey publicKey = (DHPublicKey) keyPair.getPublic();
    			// 得到乙方私钥
    			DHPrivateKey privateKey = (DHPrivateKey) keyPair.getPrivate();
    			// 将公钥和私钥封装在Map中， 方便之后使用
    			Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>();
    			keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
    			keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
    			return keyMap;
    		} catch (Exception e) {
    			throw new RuntimeException(e);
    		}
    
    	}
    
    	/**
    	 * 根据对方的公钥和自己的私钥生成 本地密钥,返回的是SecretKey对象的字节数组
    	 * 
    	 * @param publicKey
    	 *            公钥
    	 * @param privateKey
    	 *            私钥
    	 * @return
    	 */
    	public static byte[] getSecretKeyBytes(byte[] publicKey, byte[] privateKey) {
    		try {
    			// 实例化密钥工厂
    			KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_DH);
    			// 将公钥从字节数组转换为PublicKey
    			X509EncodedKeySpec pubKeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
    			PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(pubKeySpec);
    			// 将私钥从字节数组转换为PrivateKey
    			PKCS8EncodedKeySpec priKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
    			PrivateKey priKey = keyFactory.generatePrivate(priKeySpec);
    
    			// 准备根据以上公钥和私钥生成本地密钥SecretKey
    			// 先实例化KeyAgreement
    			KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance(KEY_DH);
    			// 用自己的私钥初始化keyAgreement
    			keyAgreement.init(priKey);
    			// 结合对方的公钥进行运算
    			keyAgreement.doPhase(pubKey, true);
    			// 开始生成本地密钥SecretKey 密钥算法为对称密码算法
    			SecretKey secretKey = keyAgreement.generateSecret(KEY_DH_DES);
    			return secretKey.getEncoded();
    		} catch (Exception e) {
    			throw new RuntimeException(e);
    		}
    
    	}
    
    	/**
    	 * 根据对方的公钥和自己的私钥生成 本地密钥,返回的是SecretKey对象
    	 * 
    	 * @param publicKey
    	 *            公钥
    	 * @param privateKey
    	 *            私钥
    	 * @return
    	 */
    	public static SecretKey getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey) {
    		try {
    			// 实例化密钥工厂
    			KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_DH);
    			// 将公钥从字节数组转换为PublicKey
    			X509EncodedKeySpec pubKeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
    			PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(pubKeySpec);
    			// 将私钥从字节数组转换为PrivateKey
    			PKCS8EncodedKeySpec priKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
    			PrivateKey priKey = keyFactory.generatePrivate(priKeySpec);
    
    			// 准备根据以上公钥和私钥生成本地密钥SecretKey
    			// 先实例化KeyAgreement
    			KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance(KEY_DH);
    			// 用自己的私钥初始化keyAgreement
    			keyAgreement.init(priKey);
    			// 结合对方的公钥进行运算
    			keyAgreement.doPhase(pubKey, true);
    			// 开始生成本地密钥SecretKey 密钥算法为对称密码算法
    			SecretKey secretKey = keyAgreement.generateSecret(KEY_DH_DES);
    			return secretKey;
    		} catch (Exception e) {
    			throw new RuntimeException(e);
    		}
    
    	}
    
    	/**
    	 * 从 Map 中取得公钥
    	 * 
    	 * @param keyMap
    	 * @return
    	 */
    	public static byte[] getPublicKey(Map<String, Object> keyMap) {
    		DHPublicKey key = (DHPublicKey) keyMap.get(PUBLIC_KEY);
    		return key.getEncoded();
    	}
    
    	/**
    	 * 从 Map 中取得私钥
    	 * 
    	 * @param keyMap
    	 * @return
    	 */
    	public static byte[] getPrivateKey(Map<String, Object> keyMap) {
    		DHPrivateKey key = (DHPrivateKey) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
    		return key.getEncoded();
    	}
    
    	/**
    	 * DH 加密
    	 * 
    	 * @param data
    	 *            带加密数据
    	 * @param publicKey
    	 *            甲方公钥
    	 * @param privateKey
    	 *            乙方私钥
    	 * @return
    	 */
    	public static byte[] encryptDH(byte[] data, byte[] publicKey,
    			byte[] privateKey) {
    		byte[] bytes = null;
    		try {
    			//
    			SecretKey secretKey = getSecretKey(publicKey, privateKey);
    			// 数据加密
    			Cipher cipher = Cipher.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
    			cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
    			bytes = cipher.doFinal(data);
    		} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
    			e.printStackTrace();
    		} catch (NoSuchPaddingException e) {
    			e.printStackTrace();
    		} catch (InvalidKeyException e) {
    			e.printStackTrace();
    		} catch (BadPaddingException e) {
    			e.printStackTrace();
    		} catch (IllegalBlockSizeException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return bytes;
    	}
    
    	/**
    	 * DH 解密
    	 * 
    	 * @param data
    	 *            待解密数据
    	 * @param publicKey
    	 *            乙方公钥
    	 * @param privateKey
    	 *            甲方私钥
    	 * @return
    	 */
    	public static byte[] decryptDH(byte[] data, byte[] publicKey,
    			byte[] privateKey) {
    		byte[] bytes = null;
    		try {
    			//
    			SecretKey secretKey = getSecretKey(publicKey, privateKey);
    			// 数据加密
    			Cipher cipher = Cipher.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
    			cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
    			bytes = cipher.doFinal(data);
    		} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
    			e.printStackTrace();
    		} catch (NoSuchPaddingException e) {
    			e.printStackTrace();
    		} catch (InvalidKeyException e) {
    			e.printStackTrace();
    		} catch (BadPaddingException e) {
    			e.printStackTrace();
    		} catch (IllegalBlockSizeException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return bytes;
    	}
    
    }

字节数组转16进制

public class BytesToHex {
    
    	public static String fromBytesToHex(byte[] resultBytes) {
    		StringBuilder builder = new StringBuilder();
    		for (int i = 0; i < resultBytes.length; i++) {
    			if (Integer.toHexString(0xFF & resultBytes[i]).length() == 1) {
    				builder.append("0").append(
    						Integer.toHexString(0xFF & resultBytes[i]));
    			} else {
    				builder.append(Integer.toHexString(0xFF & resultBytes[i]));
    			}
    		}
    		return builder.toString();
    	}
    
    }

测试代码

import java.util.Map;
    
    public class Test {
    	// 待加密的明文
    	public static final String DATA = "test";
    
    	public static void main(String[] args) throws Exception {
    		/* Test DH */
    		// 甲方公钥
    		byte[] publicKey1;
    		// 甲方私钥
    		byte[] privateKey1;
    		// 甲方本地密钥
    		byte[] secretKey1;
    		// 乙方公钥
    		byte[] publicKey2;
    		// 乙方私钥
    		byte[] privateKey2;
    		// 乙方本地密钥
    		byte[] secretKey2;
    
    		// 初始化密钥 并生成甲方密钥对
    		Map<String, Object> keyMap1 = DHUtil.initKey();
    		publicKey1 = DHUtil.getPublicKey(keyMap1);
    		privateKey1 = DHUtil.getPrivateKey(keyMap1);
    		System.out
    				.println("DH 甲方公钥 : " + BytesToHex.fromBytesToHex(publicKey1));
    		System.out.println("DH 甲方私钥 : "
    				+ BytesToHex.fromBytesToHex(privateKey1));
    
    		// 乙方根据甲方公钥产生乙方密钥对
    		Map<String, Object> keyMap2 = DHUtil.initKey(publicKey1);
    		publicKey2 = DHUtil.getPublicKey(keyMap2);
    		privateKey2 = DHUtil.getPrivateKey(keyMap2);
    		System.out
    				.println("DH 乙方公钥 : " + BytesToHex.fromBytesToHex(publicKey2));
    		System.out.println("DH 乙方私钥 : "
    				+ BytesToHex.fromBytesToHex(privateKey2));
    
    		// 对于甲方， 根据其私钥和乙方发过来的公钥， 生成其本地密钥secretKey1
    		secretKey1 = DHUtil.getSecretKeyBytes(publicKey2, privateKey1);
    		System.out.println("DH 甲方 本地密钥 : "
    				+ BytesToHex.fromBytesToHex(secretKey1));
    
    		// 对于乙方， 根据其私钥和甲方发过来的公钥， 生成其本地密钥secretKey2
    		secretKey2 = DHUtil.getSecretKeyBytes(publicKey1, privateKey2);
    		System.out.println("DH 乙方 本地密钥 : "
    				+ BytesToHex.fromBytesToHex(secretKey2));
    		// ---------------------------
    		// 测试数据加密和解密
    		System.out.println("加密前的数据" + DATA);
    		// 甲方进行数据的加密
    		// 用的是甲方的私钥和乙方的公钥
    		byte[] encryptDH = DHUtil.encryptDH(DATA.getBytes(), publicKey2,
    				privateKey1);
    		System.out.println("加密后的数据 字节数组转16进制显示"
    				+ BytesToHex.fromBytesToHex(encryptDH));
    		// 乙方进行数据的解密
    		// 用的是乙方的私钥和甲方的公钥
    		byte[] decryptDH = DHUtil.decryptDH(encryptDH, publicKey1, privateKey2);
    		System.out.println("解密后数据:" + new String(decryptDH));
    	}
    }

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[20161213152459398]: /images/20220714/5a57a4b7be254fcf91ce9e4e702e1146.png
[20161213152527695]: /images/20220714/d1121404cb934d28ad2cdfc28faddbc6.png
[20161213213757227]: /images/20220714/260e2cff93e8482c8756d24abf7fdd2e.png
[20161213213827977]: /images/20220714/24fb850cc6bb49e392c7a4534d90fff8.png
[20161213214041306]: /images/20220714/76325aea96ad4bd3b685fc83aad8fd36.png
[20161213214055025]: /images/20220714/598b324441514fdd9de7dcede3b267fc.png