如何設計一個安全對外的接口？加簽驗簽了解一下

前言

咱們在求職面試中，常常會被問到，如何設計一個安全對外的接口呢? 其實能夠回答這一點，加簽和驗籤，這將讓你的接口更加有安全。接下來，本文將和你們一塊兒來學習加簽和驗籤。從理論到實戰，加油哦~

• 密碼學相關概念
• 加簽驗籤概念
• 爲何須要加簽、驗籤
• 加密算法簡介
• 加簽驗籤相關API
• 加簽驗籤代碼實現
• 公衆號：撿田螺的小男孩

本文已經收錄到我的github，文章有用的話，能夠給個star呀：

github.com/whx123/Java…

密碼學相關概念

明文、密文、密鑰、加密、解密

• 明文：指沒有通過加密的信息/數據。
• 密文：明文被加密算法加密以後，會變成密文，以確保數據安全。
• 密鑰：是一種參數，它是在明文轉換爲密文或將密文轉換爲明文的算法中輸入的參數。密鑰分爲對稱密鑰與非對稱密鑰。
• 加密：將明文變成密文的過程。
• 解密：將密文還原爲明文的過程。

對稱加密、非對稱加密

• 對稱加密：加密和解密使用相同密鑰的加密算法。

• 非對稱加密：非對稱加密算法須要兩個密鑰（公開密鑰和私有密鑰）。公鑰與私鑰是成對存在的，若是用公鑰對數據進行加密，只有對應的私鑰才能解密。

什麼是公鑰私鑰？

• 公鑰與私鑰是成對存在的密鑰，若是用公鑰對數據進行加密，只有用對應的私鑰才能解密。
• 其實，公鑰就是公開的祕鑰，私鑰就是要你私自保存好的祕鑰。
• 非對稱加密算法須要有一對公私鑰~

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假設你有一個文件，你用字母a加密，只有字母b才能解密;或者你用b加密，只有a才能解密，那麼a和b就是一對公私鑰。若是密鑰a公開，密鑰b你就要私自保存好啦，這時候密鑰a就是公鑰，密鑰b就是私鑰。相反，若是b公開，a就要保存好，這時候呢，祕鑰b就是公鑰，祕鑰a就是私鑰。

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加簽驗籤概念

• 「加簽」：用Hash函數把原始報文生成報文摘要，而後用私鑰對這個摘要進行加密，就獲得這個報文對應的數字簽名。「注意啦，加簽過程要包含一些特殊的私有的東西，好比我的私鑰。」 一般來講呢，請求方會把「數字簽名和報文原文」一併發送給接收方。

• 「驗籤」：接收方拿到原始報文和數字簽名後，用「同一個Hash函數」從報文中生成摘要A。另外，用對方提供的公鑰對數字簽名進行解密，獲得摘要B，對比A和B是否相同，就能夠得知報文有沒有被篡改過。

互聯網網上的這個圖，更容易理解一點：

爲何須要加簽驗籤

上小節中，加簽和驗籤咱們已經知道概念啦，那麼，爲何須要加簽和驗籤呢？有些朋友可能以爲，咱們不是用「公鑰加密，私鑰解密」就行了嘛？

接下來呢，舉個demo吧。

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假設如今有A公司，要接入C公司的轉帳系統。在一開始呢，C公司把本身的公鑰寄給A公司，本身收藏好私鑰。A公司這邊的商戶，發起轉帳時，A公司先用C公司的公鑰，對請求報文加密，加密報文到達C公司的轉帳系統時，C公司就用本身的私鑰把報文揭開。假設在加密的報文在傳輸過程當中，被中間人Actor獲取了，他也鬱悶，由於他沒有私鑰，看着天鵝肉，又吃不了。原本想修改報文，給本身帳號轉一個億的，哈哈。這個實現方式看起來是完美無缺，穩得一匹的。

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可是呢，若是一開始，C公司把公鑰發給公司A的時候，就被中間人Actor獲取到呢，醬紫就出問題了。

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中間人Actor截取了C的公鑰，他把本身的公鑰發給了A公司，A誤覺得這就是C公司的公鑰。A在發起轉帳時，用Actor的公鑰，對請求報文加密，加密報文到在傳輸過程，Actor又截取了，這時候，他用本身的私鑰解密，而後修改了報文（給本身轉一個億），再用C的公鑰加密，發給C公司，C公司收到報文後，繼續用本身的私鑰解密。最後是否是A公司的轉帳帳戶損失了一個億呢~

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C公司是怎麼區分報文是否是來自A呢，仍是被中間人修改過呢？爲了代表身份和報文真實性，這就須要「加簽驗籤」啦！

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A公司把本身的公鑰也發送給C公司，私鑰本身保留着。在發起轉帳時，先用本身的私鑰對請求報文加簽，因而獲得本身的數字簽名。再把數字簽名和請求報文一塊兒發送給C公司。C公司收到報文後，拿A的公鑰進行驗籤，若是原始報文和數字簽名的摘要內容不一致，那就是報文被篡改啦~

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有些朋友可能有疑問，假設A在發本身的公鑰給C公司的時候，也被中間人Actor截取了呢。嗯嗯，咱們來模擬一波Actor又截取了公鑰，看看Actor能幹出什麼事情來~哈哈

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假設Actor截取到A的公鑰後，隨後也截取了到A發往C的報文。他截取到報文後，第一件想作的事確定是修改報文內容。可是若是單單修改原始報文是不能夠的，由於發過去C公司確定驗籤不過啦。可是呢，數字簽名彷佛解不開，由於消息摘要算法（hash算法）沒法逆向解開的，只起驗證的做用呢....

❞

因此呢，公鑰與私鑰是用來加密與加密的，「加簽與驗籤是用來證實身份」，以避免被篡改的。

常見加密相關算法簡介

• 消息摘要算法
• 對稱加密算法
• 非對稱加密算法
• 國密算法

消息摘要算法：

• 相同的明文數據通過相同的消息摘要算法會獲得相同的密文結果值。
• 數據通過消息摘要算法處理，獲得的摘要結果值，是沒法還原爲處理前的數據的。
• 數據摘要算法也被稱爲哈希（Hash）算法或散列算法。
• 消息摘要算法通常用於簽名驗籤。

消息摘要算法主要分三類：MD（Message Digest，消息摘要算法）、SHA（Secure Hash Algorithm，安全散列算法）和MAC（Message Authentication Code，消息認證碼算法）。

MD家族算法

MD（Message Digest，消息摘要算法）家族，包括MD2，MD4，MD5。

• MD2，MD4，MD5 計算的結果都是是一個128位（即16字節）的散列值，用於確保信息傳輸完整一致。
• MD2的算法較慢但相對安全，MD4速度很快，但安全性降低，MD5則比MD4更安全、速度更快。
• MD5被普遍應用於數據完整性校驗、數據（消息）摘要、數據加密等。
• MD5，能夠被攻破，對於須要高度安全性的數據，專家通常建議改用其餘算法，如SHA-2。2004年，證明MD5算法沒法防止碰撞攻擊，所以不適用於安全性認證，如SSL公開密鑰認證或是數字簽名等用途。

舉個例子，看看如何獲取字符串的MD5值吧：

public class MD5Test {
  public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {  String s = "123";  byte[] result = getMD5Bytes(s.getBytes());  StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();  for (byte temp : result) {  if (temp >= 0 && temp < 16) {  stringBuilder.append("0");  }  stringBuilder.append(Integer.toHexString(temp & 0xff));  }  System.out.println(s + ",MD5加密後:" + stringBuilder.toString());  }   private static byte[] getMD5Bytes(byte[] content) {  try {  MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");  return md5.digest(content);  } catch (NoSuchAlgorithmException e) {  throw new RuntimeException(e);  }  } }   複製代碼

運行結果：

123,MD5加密後:202cb962ac59075b964b07152d234b70
複製代碼

ShA家族算法

SHA（Secure Hash Algorithm，安全散列算法），包括SHA-0、SHA-一、SHA-2(SHA-256,SHA-512,SHA-224,SHA-384等)、SHA-3。它是在MD算法基礎上實現的，與MD算法區別在於「摘要長度」，SHA 算法的摘要「長度更長，安全性更高」。

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• SHA-0發佈以後很快就被NSA撤回，由於含有會下降密碼安全性的錯誤，它是SHA-1的前身。
• SHA-1在許多安全協議中廣爲使用，包括TLS、GnuPG、SSH、S/MIME和IPsec，是MD5的後繼者。
• SHA-2包括SHA-22四、SHA-25六、SHA-38四、SHA-5十二、SHA-512/22四、SHA-512/256。它的算法跟SHA-1基本上類似，目前尚未出現明顯弱點。
• SHA-3是2015年正式發佈，因爲對 「MD5出現成功的攻破」，以及對SHA-0和SHA-1出現理論上攻破的方法，SHA-3應運而生。它與以前算法不一樣的是，它是可替換的加密散列算法。

❞

SHA-一、SHA-2(SHA-256,SHA-512,SHA-224,SHA-384)等算法是比較經常使用的，咱們來看看跟MD5的對比吧

算法類型	摘要長度（bits）	最大輸入消息長度（bits）	碰撞攻擊（bits）	性能示例(MiB/s)
MD5	128	無限	≤18（發現碰撞）	335
SHA-1	160	2^64 − 1	<63（發現碰撞）	192
SHA-224	224	2^64 − 1	112	139
SHA-256	256	2^64 − 1	128	139
SHA-384	384	2^128 − 1	192	154
SHA-512	512	2^128 − 1	256	154

MAC算法家族

MAC算法 MAC（Message Authentication Code，消息認證碼算法），是帶密鑰的Hash函數。輸入密鑰和消息，輸出一個消息摘要。 它集合了MD和SHA兩大系列消息摘要算法。

• MD 系列算法: HmacMD二、HmacMD4 和 HmacMD5 ；
• SHA 系列算法：HmacSHA一、HmacSHA22四、HmacSHA25六、HmacSHA384 和 HmacSHA512 。

對稱加密算法

加密和解密使用「相同密鑰」的加密算法就是對稱加密算法。常見的對稱加密算法有AES、3DES、DES、RC五、RC6等。

DES

數據加密標準（英語：Data Encryption Standard，縮寫爲 DES）是一種對稱密鑰加密塊密碼算法。 DES算法的入口參數有三個：Key、Data、Mode。

• Key: 7個字節共56位，是DES算法的工做密鑰；
• Data: 8個字節64位，是要被加密或被解密的數據；
• Mode: 加密或解密。

3DES

三重數據加密算法（英語：Triple Data Encryption Algorithm，又稱3DES（Triple DES），是一種對稱密鑰加密塊密碼，至關因而對每一個數據塊應用三次數據加密標準（DES）算法。

AES

AES，高級加密標準（英語：Advanced Encryption Standard），在密碼學中又稱Rijndael加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。

• 採用對稱分組密碼體制，密鑰長度爲 128 位、 192 位、256 位，分組長度128位
• 相對於DES ，AES具備更好的 安全性、效率 和 靈活性。

非對稱加密算法

非對稱加密算法須要兩個密鑰：公鑰和私鑰。公鑰與私鑰是成對存在的，若是用公鑰對數據進行加密，只有用對應的私鑰才能解密。主要的非對稱加密算法有：RSA、Elgamal、DSA、D-H、ECC。

RSA算法

• RSA加密算法是一種非對稱加密算法,普遍應用於加密和數字簽名
• RSA算法原理：兩個大素數的乘積進行因式分解卻極其困難，所以能夠將乘積公開做爲加密密鑰。
• RSA是被研究得最普遍的公鑰算法，從提出到如今，經歷了各類攻擊的考驗，廣泛認爲是目前最優秀的公鑰方案之一。

DSA

• DSA(Digital Signature Algorithm,數字簽名算法),也是一種非對稱加密算法。
• DSA和RSA區別在，DSA僅用於數字簽名，不能用於數據加密解密。其安全性和RSA至關，但其性能要比RSA好。

ECC 算法

• ECC（Elliptic Curves Cryptography，橢圓曲線密碼編碼學），基於橢圓曲線加密。
• Ecc主要優點是，在某些狀況下，它比其餘的方法使用更小的密鑰，好比RSA加密算法，提供至關的或更高等級的安全級別。
• 它的一個缺點是，加密和解密操做的實現比其餘機制時間長 (相比RSA算法，該算法對CPU 消耗嚴重)。

國密算法

國密即國家密碼局認定的國產密碼算法。爲了保障商用密碼的安全性，國家商用密碼管理辦公室制定了一系列密碼標準，即SM1，SM2，SM3，SM4等國密算法。

SM1

• SM1，爲對稱加密算法，加密強度爲128位，基於硬件實現。
• SM1的加密強度和性能，與AES至關。

SM2

• SM2主要包括三部分：簽名算法、密鑰交換算法、加密算法
• SM2用於替換RSA加密算法，基於ECC，效率較低。

SM3

• SM3，即國產消息摘要算法。
• 適用於商用密碼應用中的數字簽名和驗證，消息認證碼的生成與驗證以及隨機數的生成。

SM4

• SM4是一個分組算法，用於無線局域網產品。
• 該算法的分組長度爲128比特，密鑰長度爲128比特。
• 加密算法與密鑰擴展算法都採用32輪非線性迭代結構。
• 解密算法與加密算法的結構相同，只是輪密鑰的使用順序相反，解密輪密鑰是加密輪密鑰的逆序。
• 它的功能相似國際算法的DES。

加簽驗籤相關Java的API

這個小節先介紹一下加簽驗籤須要用到的API吧~

加簽相關API

- java.security.Signature.getInstance(String algorithm); //根據對應算法，初始化簽名對象
- KeyFactory.getInstance(String algorithm);// 根據對應算法,生成KeyFactory對象 - KeyFactory.generatePrivate(KeySpec keySpec); //生成私鑰 - java.security.Signature.initSign(PrivateKey privateKey) //由私鑰，初始化加簽對象 - java.security.Signature.update(byte[] data) //把原始報文更新到加簽對象 - java.security.Signature.sign();//加簽 複製代碼

「Signature.getInstance(String algorithm);」

• 根據對應算法，初始化簽名對象
• algorithm參數能夠取SHA256WithRSA或者MD5WithRSA等參數，SHA256WithRSA表示生成摘要用的是SHA256算法，簽名加簽用的是RSA算法

「KeyFactory.getInstance(String algorithm);」

• 根據對應算法,生成KeyFactory對象，好比你的公私鑰用的是RSA算法，那麼就傳入RSA

「KeyFactory.generatePrivate(KeySpec keySpec)」

• 生成私鑰，加簽用的是私鑰哈，因此須要經過KeyFactory先構造一個私鑰對象。

「Signature.initSign(PrivateKey privateKey)」

• 加簽用的是私鑰，因此傳入私鑰，初始化加簽對象

「Signature.update(byte[] data)」

• 把原始報文更新到加簽對象

「java.security.Signature.sign();」

• 進行加簽操做

驗籤相關API

- java.security.Signature.getInstance(String algorithm); //根據對應算法，初始化簽名對象
- KeyFactory.getInstance(String algorithm);// 根據對應算法,生成KeyFactory對象 - KeyFactory.generatePublic(KeySpec keySpec); //生成公鑰 - java.security.Signature.initVerify(publicKey); //由公鑰，初始化驗籤對象 - java.security.Signature.update(byte[] data) //把原始報文更新到驗籤對象 - java.security.Signature.verify(byte[] signature);//驗籤 複製代碼

「Signature.getInstance(String algorithm)」

• 根據對應算法，初始化簽名對象，注意驗籤和加簽是須要用相同的algorithm算法參數哦~

「KeyFactory.getInstance(String algorithm);」

• 根據對應算法,生成KeyFactory對象

「KeyFactory.generatePublic(KeySpec keySpec);」

• 生成公鑰，驗籤用的是公鑰，經過KeyFactory先構造一個公鑰對象

**Signature.initVerify(publicKey); **

• 公鑰驗籤，因此傳入公鑰對象參數，初始化驗籤對象

「Signature.update(byte[] data)」

• 把原始報文更新到加簽對象

「Signature.verify(byte[] signature);」

• 進行驗籤操做

加簽驗籤代碼實現

前幾個小節討論完概念，是時候上代碼實戰了，我這邊用的是SHA-256做爲摘要算法，RSA做爲簽名驗籤算法，以下：

package pattern;
 import sun.misc.BASE64Decoder; import sun.misc.BASE64Encoder;  import java.io.IOException; import java.io.UnsupportedEncodingException; import java.security.*; import java.security.spec.InvalidKeySpecException; import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;  /**  * 加簽驗籤demo  * @Author 撿田螺的小男孩  */ public class SignatureTest {  //公鑰字符串  private static final String PUBLIC_KEY_STR = "MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQDaJzVjC5K6kbS2YE2fiDs6H8pB\n" +  "JFDGEYqqJJC9I3E0Ebr5FsofdImV5eWdBSeADwcR9ppNbpORdZmcX6SipogKx9PX\n" +  "5aAO4GPesroVeOs91xrLEGt/arteW8iSD+ZaGDUVV3+wcEdci/eCvFlc5PUuZJou\n" +  "M2XZaDK4Fg2IRTfDXQIDAQAB";  //私鑰字符串  private static final String PRIVATE_KEY_STR = "MIICdQIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCAl8wggJbAgEAAoGBANonNWMLkrqRtLZg\n" +  "TZ+IOzofykEkUMYRiqokkL0jcTQRuvkWyh90iZXl5Z0FJ4APBxH2mk1uk5F1mZxf\n" +  "pKKmiArH09floA7gY96yuhV46z3XGssQa39qu15byJIP5loYNRVXf7BwR1yL94K8\n" +  "WVzk9S5kmi4zZdloMrgWDYhFN8NdAgMBAAECgYA9bz1Bn0i68b2KfqRdgOfs/nbe\n" +  "0XNN1DLQp2t7WDfRCg01iI1zPkZgyFVZWtI85f5/uIrLs5ArLosL1oNuqqc0nNne\n" +  "CvJK+ZxvA98Hx3ZqYTzDnleR054YhofL5awbhSciYVic204DOG1rhSsYWMqtX7J7\n" +  "3geoWL7TYdMfYXcCAQJBAPMMKsz6ZJh98EeQ1tDG5gpAGWFQkYNrxZDelP/LjeO0\n" +  "TP3XkQnIpcaZoCs7V/rRGRGMWwQ2BUdc/01in89ZZ5ECQQDlx2oBc1CtOAm2UAhN\n" +  "1xWrPkZWENQ53wTrwXO4qbTGDfBKon0AehLlGCSqxQ71aufLkNO7ZlX0IHTAlnk1\n" +  "TvENAkAGSEQ69CXxgx/Y2beTwfBkR2/gghKg0QJUUkyLqBlMz3ZGAXJwTE1sqr/n\n" +  "HiuSAiGhwH0ByNuuEotO1sPGukrhAkAMK26a2w+nzPL+u+hkrwKPykGRZ1zGH+Cz\n" +  "19AYNKzFXJGgclCqiMydY5T1knBDYUEbj/UW1Mmyn1FvrciHoUG1AkAEMEIuDauz\n" +  "JabEAU08YmZw6OoDGsukRWaPfjOEiVhH88p00veM1R37nwhoDMGyEGXVeVzNPvk7\n" +  "cELg28MSRzCK";    public static void main(String[] args) throws SignatureException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException, IOException, InvalidKeySpecException {  //原始報文  String plain = "歡迎你們關注個人公衆號，撿田螺的小男孩";  //加簽  byte[] signatureByte = sign(plain);  System.out.println("原始報文是:" + plain);  System.out.println("加簽結果:");  System.out.println(new BASE64Encoder().encode(signatureByte));  //驗籤  boolean verifyResult = verify(plain, signatureByte);  System.out.println("驗簽結果:" + verifyResult);  }   /**  * 加簽方法  * @param plain  * @return  * @throws NoSuchAlgorithmException  * @throws InvalidKeyException  * @throws UnsupportedEncodingException  * @throws SignatureException  */  private static byte[] sign(String plain) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException, UnsupportedEncodingException, SignatureException {  //根據對應算法，獲取簽名對象實例  Signature signature = Signature.getInstance("SHA256WithRSA");  //獲取私鑰，加簽用的是私鑰，私鑰通常是在配置文件裏面讀的，這裏爲了演示方便，根據私鑰字符串生成私鑰對象  PrivateKey privateKey = getPriveteKey(PRIVATE_KEY_STR);  //初始化簽名對象  signature.initSign(privateKey);  //把原始報文更新到對象  signature.update(plain.getBytes("UTF-8"));  //加簽  return signature.sign();  }   /**  * 驗籤方法  * @param plain  * @param signatureByte  * @return  * @throws NoSuchAlgorithmException  * @throws InvalidKeyException  * @throws IOException  * @throws SignatureException  * @throws InvalidKeySpecException  */  private static boolean verify(String plain, byte[] signatureByte) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException, IOException, SignatureException, InvalidKeySpecException {  //獲取公鑰  PublicKey publicKey = getPublicKey(PUBLIC_KEY_STR);  //根據對應算法，獲取簽名對象實例  Signature signature = Signature.getInstance("SHA256WithRSA");  //初始化簽名對象  signature.initVerify(publicKey);  //把原始報文更新到簽名對象  signature.update(plain.getBytes("UTF-8"));  //進行驗籤  return signature.verify(signatureByte);  }   private static PublicKey getPublicKey(String publicKeyStr) throws InvalidKeySpecException, IOException {  PublicKey publicKey = null;  try {  java.security.spec.X509EncodedKeySpec bobPubKeySpec = new java.security.spec.X509EncodedKeySpec(  new BASE64Decoder().decodeBuffer(publicKeyStr));  // RSA對稱加密算法  java.security.KeyFactory keyFactory;  keyFactory = java.security.KeyFactory.getInstance("RSA");  // 生成公鑰對象  publicKey = keyFactory.generatePublic(bobPubKeySpec);  } catch (NoSuchAlgorithmException e) {  e.printStackTrace();  }  return publicKey;  }   private static PrivateKey getPriveteKey(String privateKeyStr) {  PrivateKey privateKey = null;  PKCS8EncodedKeySpec priPKCS8;  try {  priPKCS8 = new PKCS8EncodedKeySpec(new BASE64Decoder().decodeBuffer(privateKeyStr));  KeyFactory keyf = KeyFactory.getInstance("RSA");  privateKey = keyf.generatePrivate(priPKCS8);  } catch (IOException | NoSuchAlgorithmException | InvalidKeySpecException e) {  e.printStackTrace();  }  return privateKey;  } } 複製代碼

「運行結果:」

原始報文是:歡迎你們關注個人公衆號，撿田螺的小男孩
加簽結果: Oz15/aybGe42eGHbc+iMoSYHSCc8tfRskTVjjGSTPD4HjadL0CC5JUWNUW0WxHjUb4MvxWo2oeWE Qw0+m61d+JgBMto/TWcVDcgwL/AbObsbWdQ6E/fVRqG13clkE8MyKsjt9Z7tcbwpycYTv0rUR4co rndAVfBdtv5KeV+OXqM= 驗簽結果:true 複製代碼

參考與感謝

• 維基百科
• 百度百科
• 經常使用消息摘要算法簡介
• 淺談常見的七種加密算法及實現
• 【易錯概念】國密算法SM1（SCB2）、SM二、SM三、SM四、SM七、SM九、ZUC

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