Java实现7种常见密码算法

偏执的太偏执、 2023-10-03 21:02 69阅读 0赞

### 简介 ###

前面在[密码学入门][Link 1]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);
        }
    }
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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 [docs.oracle.com/en/java/jav…][docs.oracle.com_en_java_jav] 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");
            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");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
            return cipher.doFinal(data);
        }catch (Exception e) {
            throw Errors.toRuntimeException(e);
        }
    }
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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());
    }
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#### 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);
    }
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#### 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);
        }
    }
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#### 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");
    }
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#### 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));
    }
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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：

![format_png][]

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;
    	}
    }
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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();
    }
    复制代码

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));
    }
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#### 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();
    }
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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);
    }
    复制代码

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：

![format_png 1][]

### 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,
    }
    复制代码

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。

![format_png 2][]

以上面证书为例，PEM与DER的关系大概如下：

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

#### 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  
    复制代码

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 ####

![format_png 3][]

#### 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
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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
    复制代码

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
    复制代码

#### 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
    复制代码

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
    复制代码

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
    复制代码

### 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);
    }
    复制代码

#### 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));
    }
    复制代码

#### 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);
    }
    复制代码

#### 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");
        Collection<? extends 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());
        }
    }
    复制代码

#### 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);
    }
    复制代码

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
    复制代码

**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;
    }
    复制代码

> 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：

![format_png 4][]

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。

作者：扣钉日记  
链接：https://juejin.cn/post/7157174018531917861  
来源：稀土掘金  
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[docs.oracle.com_en_java_jav]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fdocs.oracle.com%2Fen%2Fjava%2Fjavase%2F11%2Fdocs%2Fspecs%2Fsecurity%2Fstandard-names.html
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