Java安全——密钥那些事

2021-11-08 06:12:51

标签（空格分隔）： Java 安全

概念

密钥是加密算法不可缺少的部分。密钥在安全体系中至关重要，正如其名，私密的钥匙，打开安全的大门。密钥分两种：对称密钥和非对称密钥。非对称密钥里又包含公开密钥和私有密钥。

与密钥相关的还有一个概念是证书。证书主要用于鉴别密钥，通常将公开密钥放到证书里传输。

Java的安全体系里，密钥是通过JCE算法包实现的。操作密钥的引擎包含两部分：密钥生成器和密钥工厂。密钥生成器可以创建密钥，而密钥工厂将其进行包装展示到外部。所以对于编写程序来说，创建密钥包括两个步骤：1，用密钥生成器产生密钥；2，用密钥工厂将其输出为一个密钥规范或者一组字节码。

Java实现

Java里将密钥封装了一个接口——Key。非对称密钥有PublicKey和PrivateKey，均实现了该接口。从之前的“安全提供者框架”中的输出结果可以看到，不同的安全提供者提供了很多密钥生成算法，比较典型的是Sun的DSA和RSA以及JCE的Diffie-Hellman算法。

生成和表示key

密钥的生成，Java提供了两个生成器类——KeyPairGenerator和KeyGenerator，前者用于生成非对称密钥，后者用于生成对称密钥。对应密钥的表示，KeyFactory类表示非对称密钥，SecretKeyFactory表示对称密钥。

我们来看一个DSA的例子：

import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.spec.DSAPrivateKeySpec;
import java.security.spec.InvalidKeySpecException;

import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESKeySpec;

public class KeyTest {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            generateKeyPair();
            generateKey();
        } catch (InvalidKeySpecException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void generateKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {
        KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance("DSA");
        kpg.initialize(512);
        KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();
        System.out.println(kpg.getProvider());
        System.out.println(kpg.getAlgorithm());
        KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("DSA");
        DSAPrivateKeySpec dsaPKS = kf.getKeySpec(kp.getPrivate(), DSAPrivateKeySpec.class);
        System.out.println("\tDSA param G:" + dsaPKS.getG());
        System.out.println("\tDSA param P:" + dsaPKS.getP());
        System.out.println("\tDSA param Q:" + dsaPKS.getQ());
        System.out.println("\tDSA param X:" + dsaPKS.getX());
    }

    public static void generateKey() throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {
        KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance("DES");
        SecretKey key = kg.generateKey();
        System.out.println(kg.getProvider());
        System.out.println(kg.getAlgorithm());
        SecretKeyFactory skf = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
        DESKeySpec desKS = (DESKeySpec) skf.getKeySpec(key, DESKeySpec.class);
        System.out.println("\tDES key bytes size:" + desKS.getKey().length);
    }

}

Key生成的代码架构设计类图如下：
Java安全——密钥那些事

KeyGenerator与KPG类似，只是KPG生成KeyPair，KG
生成SecretKey。

密钥管理

关于证书

证书这东西，真不知道放哪里合适，就不单独拿出来讲了。考虑到证书可以验证密钥的合法性，就放这里说一下吧。

因为非对称密钥的场景，需要将公钥传输给对应的需求者。那么如何传输能确保这个公钥是我给你的而不是别人替换的呢？那就需要对这次传输加密签名，于是又进入了这样的循环。于是就引出了证书——证书可以保证内容和发源地是一致的，也就是说证书可以保证发给需求者的内容确实是属于内容拥有者的。

证书不是谁都能来发的，证书是通过一个公正实体（CA，证书授权机构）来颁发并验证合法性。证书包含三方面内容：
1，实体名，即证书持有者。
2，与主体相关的公开密钥。
3，验证证书信息的数字签名。证书由证书发行人签名。
Java中有对应的Certificate类来做证书相关的事情。但是证书不是我们这里要讨论的重点，而且Java本身对证书的支持就不完备。因此证书的内容就在这里插播一下。我们还是回到密钥的传输问题上来。

KeyStore

Java中KeyStore类负责密钥的管理，KeyStore有个setKeyEntry()方法。通用的流程是KeyStore将key设置为一个key entry。然后通过store()方法保存为.keystore文件。使用方得到.keystore文件，利用load()方法读取Key entry，然后使用。

如果是非对称密钥的秘密密钥，写入密钥项的使用方法如下：

public static void secretKeyStore() throws KeyStoreException, NoSuchAlgorithmException,
                    CertificateException, IOException {
        char[] password = "123456".toCharArray();
        String fileName = System.getProperty("user.home") + File.separator + ".keystore";
        FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName);
        KeyStore ks = KeyStore.getInstance("jceks");
        ks.load(fis, password);
        KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance("DES");
        SecretKey key = kg.generateKey();

        ks.setKeyEntry("myKeyEntry", key, password, null);

        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(fileName);
        ks.store(fos, password);
        System.out.println("store key in " + fileName);
    }

这里带来一些概念：

  • 密钥库：也就是上面说的KeyStore，用来管理存放密钥和证书的地方。Java的密钥管理是基于密钥库来构建的。
  • 密钥项：密钥库里存放的是一条条的密钥项。密钥项要么保存一个非对称密钥对，要么保存一个秘密密钥。如果保存的是密钥对，那还可能保存一个证书链。证书链的第一个证书包含公钥。
  • 别名：每个密钥都会可以有个别名，可以理解为密钥项的名字。

  • 标识名：密钥库中的实体的标识名是其完整的X.500名的子集，比如一个DN是

    CN=Yu Jia, OU=ALI, O=ALIBABA, L=HZ, ST=ZJ, C=CN
  • 证书项：只包含一个公钥证书，保存的是证书而不是证书链。
  • JKS，JCEKS，PKCS12：密钥库算法，Java默认是JKS，只能保存私钥，要想保存对称密钥的秘密密钥，需要使用JCEKS，这也就是上面代码中提到的KeyStore ks = KeyStore.getInstance("jceks");。可以通过修改java.security文件中的keystore.type=JCEKS来更改默认算法。

Keytool

光是这样，还欠点什么，因为上面的代码放到main函数里还是无法执行，而且也有个疑问，明明是要创建keystore，干嘛还要先load？
看看KeyStore中store()方法的源码：

public final void store(OutputStream stream, char[] password)
        throws KeyStoreException, IOException, NoSuchAlgorithmException,
            CertificateException
    {
        if (!initialized) {
            throw new KeyStoreException("Uninitialized keystore");
        }
        keyStoreSpi.engineStore(stream, password);
    }

未初始化的Keystore是要抛出KeyStoreException的。而初始化动作是在load()方法里做的。那这就奇怪了，第一个keystore难道是自己随便在系统目录里touch的？

这就引出了keytool工具，这是一个JRE提供的管理工具，方便管理密钥库的。keytool是命令行接口，使用keytool命令可以管理密钥库，具体命令各个参数可以man keytool或者keytool -help了解。

我这里列出我的程序是如何初始化一个keystore的：
1，我先生成了一个别名叫做changedi的密钥项，其算法是RSA非对称算法

zunyuanjys-MacBook-Air:~ zunyuan.jy$ keytool -genkey -alias changedi -keyalg RSA
输入密钥库口令:  
再次输入新口令: 
您的名字与姓氏是什么?
  [Unknown]:  Yu Jia
您的组织单位名称是什么?
  [Unknown]:  ALI
您的组织名称是什么?
  [Unknown]:  ALIBABA
您所在的城市或区域名称是什么?
  [Unknown]:  HZ
您所在的省/市/自治区名称是什么?
  [Unknown]:  ZJ
该单位的双字母国家/地区代码是什么?
  [Unknown]:  CN
CN=Yu Jia, OU=ALI, O=ALIBABA, L=HZ, ST=ZJ, C=CN是否正确?
  [否]:  Y

输入 <changedi> 的密钥口令
    (如果和密钥库口令相同, 按回车):  
再次输入新口令:

2，依照提示输入完成DN后，keystore就创建好了，可以查看一下

zunyuanjys-MacBook-Air:~ zunyuan.jy$ keytool -list
输入密钥库口令:  

密钥库类型: JKS
密钥库提供方: SUN

您的密钥库包含 1 个条目

changedi, 2016-7-7, PrivateKeyEntry, 
证书指纹 (SHA1): 76:C8:CE:EA:4C:29:6D:0E:FF:8C:02:BE:F4:F4:55:97:63:1F:C8:26

3，可以看到，这个库还是JKS的，需要更改为JCEKS，于是做下面的事

zunyuanjys-MacBook-Air:~ zunyuan.jy$ keytool -keypasswd -alias changedi -storetype jceks
输入密钥库口令:  
输入 <changedi> 的密钥口令
新<changedi> 的密钥口令: 
重新输入新<changedi> 的密钥口令:

4，再list时，要选择storetype，因为刚才虽然是修改密码，但是其实核心目的是要更改密钥库类型

zunyuanjys-MacBook-Air:~ zunyuan.jy$ keytool -list -storetype jceks
输入密钥库口令:  

密钥库类型: JCEKS
密钥库提供方: SunJCE

您的密钥库包含 1 个条目

changedi, 2016-7-7, PrivateKeyEntry, 
证书指纹 (SHA1): 76:C8:CE:EA:4C:29:6D:0E:FF:8C:02:BE:F4:F4:55:97:63:1F:C8:26

5，运行刚才的程序，写一个对称密钥的秘密密钥进去，作为这个keystore的一个密钥项，再list

zunyuanjys-MacBook-Air:~ zunyuan.jy$ keytool -list -storetype jceks
输入密钥库口令:  

密钥库类型: JCEKS
密钥库提供方: SunJCE

您的密钥库包含 2 个条目

changedi, 2016-7-7, PrivateKeyEntry, 
证书指纹 (SHA1): 76:C8:CE:EA:4C:29:6D:0E:FF:8C:02:BE:F4:F4:55:97:63:1F:C8:26
mykeyentry, 2016-7-7, SecretKeyEntry,

其实上面的例子，在创建第一个密钥项时就可以指定storetype是JCEKS，我这里只是展示一下如何切换密钥库类型。另外在RSA的私钥密钥项在未指定证书的情况下也会生成一个自签名证书。

回到刚才的代码里，我们看看setKeyEntry的细节：

public final void setKeyEntry(String alias, Key key, char[] password,
                                  Certificate[] chain)
        throws KeyStoreException
    {
        if (!initialized) {
            throw new KeyStoreException("Uninitialized keystore");
        }
        if ((key instanceof PrivateKey) &&
            (chain == null || chain.length == 0)) {
            throw new IllegalArgumentException("Private key must be "
                                               + "accompanied by certificate "
                                               + "chain");
        }
        keyStoreSpi.engineSetKeyEntry(alias, key, password, chain);
    }

可以看到，如果是非对称密钥的生产，需要提供一个证书链，否则就抛异常。考虑到这样的情况，我们一般不是做专业的企业级安全。还是keytool搞定好了。

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