[编码算法] 消息摘要算法

本文已被阅读过 Posted by Liao Can on 2015-05-06

消息摘要

算法简述

定义

它是一个唯一对应一个消息或文本的固定长度的值,它由一个单向 Hash 加密函数对消息进行作用而产生。如果消息在途中改变了,则接收者通过对收到消息的新产生的摘要与原摘要比较,就可知道消息是否被改变了。因此消息摘要保证了消息的完整性。消息摘要采用单向 Hash  函数将需加密的明文"摘要"成一串密文,这一串密文亦称为数字指纹(Finger Print)。它有固定的长度,且不同的明文摘要成密文,其结果总是不同的,而同样的明文其摘要必定一致。这样这串摘要便可成为验证明文是否是"真身"的"指纹"了。

特点

消息摘要具有以下特点:

  • 唯一性:数据只要有一点改变,那么再通过消息摘要算法得到的摘要也会发生变化。虽然理论上有可能会发生碰撞,但是概率极其低。
  • 不可逆:消息摘要算法的密文无法被解密。
  • 不需要密钥,可使用于分布式网络。
  • 无论输入的明文有多长,计算出来的消息摘要的长度总是固定的。

原理

消息摘要,其实就是将需要摘要的数据作为参数,经过哈希函数(Hash)的计算,得到的散列值。

常用算法

消息摘要算法包括MD(Message Digest,消息摘要算法)SHA(Secure Hash Algorithm,安全散列算法)、**MAC(Message AuthenticationCode,消息认证码算法)**共 3 大系列,常用于验证数据的完整性,是数字签名算法的核心算法。

MD5SHA1分别是MDSHA算法系列中最有代表性的算法。

如今,MD5 已被发现有许多漏洞,从而不再安全。SHA 算法比 MD 算法的摘要长度更长,也更加安全。

算法实现

MD5、SHA 的范例

JDK 中使用 MD5 和 SHA 这两种消息摘要的方式基本一致,步骤如下:

  1. 初始化 MessageDigest 对象
  2. 更新要计算的内容
  3. 生成摘要

范例

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importjava.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;

public class MsgDigestDemo{
public static void main(String args[]) throws NoSuchAlgorithmException, UnsupportedEncodingException {
String msg = "Hello World!";

MessageDigest md5Digest = MessageDigest.getInstance("MD5");
// 更新要计算的内容
md5Digest.update(msg.getBytes());
// 完成哈希计算,得到摘要
byte[] md5Encoded = md5Digest.digest();

MessageDigest shaDigest = MessageDigest.getInstance("SHA");
// 更新要计算的内容
shaDigest.update(msg.getBytes());
// 完成哈希计算,得到摘要
byte[] shaEncoded = shaDigest.digest();

System.out.println("原文: " + msg);
System.out.println("MD5摘要: " + Base64.encodeBase64URLSafeString(md5Encoded));
System.out.println("SHA摘要: " + Base64.encodeBase64URLSafeString(shaEncoded));
}
}

输出

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原文:Hello World!
MD5摘要: 7Qdih1MuhjZehB6Sv8UNjA
SHA摘要:Lve95gjOVATpfV8EL5X4nxwjKHE

HMAC 的范例

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importjavax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;

public class HmacCoder{
/**
* JDK支持HmacMD5, HmacSHA1,HmacSHA256, HmacSHA384, HmacSHA512
*/
public enum HmacTypeEn {
HmacMD5, HmacSHA1, HmacSHA256, HmacSHA384, HmacSHA512;
}

public static byte[] encode(byte[] plaintext, byte[] secretKey, HmacTypeEn type) throwsException {
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(secretKey, type.name());
Mac mac = Mac.getInstance(keySpec.getAlgorithm());
mac.init(keySpec);
return mac.doFinal(plaintext);
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
String msg = "Hello World!";
byte[] secretKey = "Secret_Key".getBytes("UTF8");
byte[] digest = HmacCoder.encode(msg.getBytes(), secretKey, HmacTypeEn.HmacSHA256);
System.out.println("原文: " + msg);
System.out.println("摘要: " + Base64.encodeBase64URLSafeString(digest));
}
}

输出

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原文:Hello World!
摘要: b8-eUifaOJ5OUFweOoq08HbGAMsIpC3Nt-Yv-S91Yr4

数字签名

算法简述

数字签名算法可以看做是一种带有密钥的消息摘要算法,并且这种密钥包含了公钥和私钥。也就是说,数字签名算法是非对称加密算法和消息摘要算法的结合体。

特点

数字签名算法要求能够验证数据完整性、认证数据来源,并起到抗否认的作用。

原理

数字签名算法包含签名和验证两项操作,遵循私钥签名,公钥验证的方式。

签名时要使用私钥和待签名数据,验证时则需要公钥、签名值和待签名数据,其核心算法主要是消息摘要算法。

Java实现消息摘要与数字签名图

常用算法

RSA、DSA、ECDSA

算法实现

DSA 的范例

数字签名有两个流程:签名和验证。

它们的前提都是要有一个公钥、密钥对。

签名

用私钥为消息计算签名

范例

用公钥验证摘要

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importjava.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.Signature;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;

public class DsaCoder{
public static final String KEY_ALGORITHM = "DSA";

public enum DsaTypeEn {
MD5withDSA, SHA1withDSA
}

/**
* DSA密钥长度默认1024位。 密钥长度必须是64的整数倍,范围在512~1024之间
*/
private static final int KEY_SIZE = 1024;

private KeyPair keyPair;

public DsaCoder() throws Exception {
keyPair = initKey();
}

public byte[] signature(byte[] data, byte[] privateKey) throws Exception {
PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
PrivateKey key =keyFactory.generatePrivate(keySpec);

Signature signature = Signature.getInstance(DsaTypeEn.SHA1withDSA.name());
signature.initSign(key);
signature.update(data);
return signature.sign();
}

public boolean verify(byte[] data, byte[] publicKey, byte[] sign) throws Exception {
X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
PublicKey key =keyFactory.generatePublic(keySpec);

Signature signature = Signature.getInstance(DsaTypeEn.SHA1withDSA.name());
signature.initVerify(key);
signature.update(data);
return signature.verify(sign);
}

private KeyPair initKey() throws Exception {
// 初始化密钥对生成器
KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
// 实例化密钥对生成器
keyPairGen.initialize(KEY_SIZE);
// 实例化密钥对
return keyPairGen.genKeyPair();
}

public byte[] getPublicKey() {
return keyPair.getPublic().getEncoded();
}

public byte[] getPrivateKey() {
return keyPair.getPrivate().getEncoded();
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
String msg = "Hello World";
DsaCoder dsa = new DsaCoder();
byte[] sign = dsa.signature(msg.getBytes(), dsa.getPrivateKey());
boolean flag = dsa.verify(msg.getBytes(), dsa.getPublicKey(), sign);
String result = flag ? "数字签名匹配" : "数字签名不匹配";
System.out.println("数字签名:" + Base64.encodeBase64URLSafeString(sign));
System.out.println("验证结果:" + result);
}
}

参考

《Core Java Volume2》

《Java 加密与解密技术》


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