Java安全(加密、摘要、签名、证书、SSL、HTTPS)

对于一般的开发人员来说，很少需要对安全领域内的基础技术进行深入的研究，但是鉴于日常系统开发中遇到的各种安全相关的问题，熟悉和了解这些安全技术的基本原理和使用场景还是非常必要的。本文将对非对称加密、数字摘要、数字签名、数字证书、SSL、HTTPS等这些安全领域内的技术进行一番简要的介绍，解释他们之间的关系，同时补充一些周边话题。

安全领域的技术众多，但是归根结底，他们都是为了保障如下三个方面：

1）认证用户和服务器，确保数据发送到正确的客户机和服务器
2）加密数据以防止数据中途被窃取
3）维护数据的完整性，确保数据在传输过程中不被改变。

对称加密和非对称密钥加解密
对于一份数据，通过一种算法，基于传入的密钥(一串由数字或字符组成的字符串,也称“key”），将明文数据转换成了不可阅读的密文，这是众所周知的“加密”，同样的，密文到达目的地后，需要再以相应的算法，配合一个密钥，将密文再解密成明文，这就是“解密”。如果加密和解密使用的是同一个密钥,那么这就是“对称密钥加解密”（最常见的对称加密算法是DES）。如果加密和解密使用的是两个不同的密钥，那么这就是“非对称密钥加解密”（最常用的非对称加密算法是RSA）。这两个不同的密钥一个叫作公开密钥（publickey）另一个叫私有密钥（privatekey），公开密钥对外公开，任何人均可获取，而私有密钥则由自己保存，其实公钥和私钥并没有什么不同之处，公钥之所以成为公钥是因为它会被公开出来，产生任意份拷贝，供任何人获取，而只有服务主机持有唯一的一份私钥，从这种分发模式上看，我们不难看出其中的用意，这种分发模式实际上是Web站点多客户端(浏览器)与单一服务器的网络拓扑所决定的，多客户端意味着密钥能被复制和公开获取，单一服务器意味着密钥被严格控制，只能由本服务器持有，这实际上也是后面要提到的之所以能通过数据证书确定信任主机的重要原因之一。如果我们跳出web站点的拓扑环境，其实就没有什么公钥与私钥之分了，比如，对于那些使用以密钥为身份认证的SSH主机，往往是为每一个用户单独生成一个私钥分发给他们自己保存，SSH主机会保存一份公钥，公钥私钥各有一份，都不会公开传播。

简言之：

对称加密速度快，但加密和解密的钥匙必须相同，只有通信双方才能知道钥匙
非对称加密速度慢，加密和解密的钥匙不相同，某一个人持有私钥，任何人都可以知道公钥

数字摘要--数据完整性的校验
这个非常简单，我们在下载文件的时候经常会看到有的下载站点也提供下载文件的“数字摘要“，供下载者验证下载后的文件是否完整，或者说是否和服务器上的文件”一模一样“。其实，数字摘要就是采用单项Hash函数将需要加密的明文“摘要”成一串固定长度（128位）的密文，这一串密文又称为数字指纹，它有固定的长度，而且不同的明文摘要成密文，其结果总是不同的，儿同样的明文其摘要必定一致。 因此，“数字摘要“叫”数字指纹“可能会更贴切一些。“数字摘要“是https能确保数据完整性和防篡改的根本原因。

数字签名--水到渠成的技术
让我们来看看有了“非对称密钥加解密”和“数字摘要“两项技术之后，我们能做些什么呢？假如发送方想把一份报文发送给接收方，在发送报文前，发送方用一个哈希函数从报文文本中生成报文摘要,然后用自己的私人密钥对这个摘要进行加密，这个加密后的摘要将作为报文的”签名“和报文一起发送给接收方，接收方首先用与发送方一样的哈希函数从接收到的原始报文中计算出报文摘要，接着再用发送方的公用密钥来对报文附加的数字签名进行解密，如果这两个摘要相同、那么接收方就能确认报文是从发送方发送且没有被遗漏和修改过！这就是结合“非对称密钥加解密”和“数字摘要“技术所能做的事情，这也就是人们所说的“数字签名”技术。在这个过程中，对传送数据生成摘要并使用私钥进行加密地过程就是生成”数字签名“的过程，经过加密的数字摘要，就是人们所说的”数字签名“！
数字签名技术就是对“非对称密钥加解密”和“数字摘要“两项技术的应用，它将摘要信息用发送者的私钥加密，与原文一起传送给接收者。接收者只有用发送者的公钥才能解密被加密的摘要信息，然后用HASH函数对收到的原文产生一个摘要信息，与解密的摘要信息对比。如果相同，则说明收到的信息是完整的，在传输过程中没有被修改，否则说明信息被修改过，因此数字签名能够验证信息的完整性。(注意，数字签名只能验证数据的完整性，数据本身是否加密不属于数字签名的控制范围)
综上所述，数字签名有两种功效：一是能确定消息确实是由发送方签名并发出来的，因为别人假冒不了发送方的签名。二是数字签名能确定消息的完整性。

数字证书--值得信赖的公钥
只从”准确认证发送方身份“和”确保数据完整性“两个安全方面来看，数字签名似乎已经完全做到了，还有漏洞存在的可能么？有，漏洞不在数字签名技术本身，而在它所依赖的密钥，只有密钥是真实可靠的前提下，使用数字签名才是安全有效的。考虑这种可能的情况：在上述发送方向接收方传送报文的例子中，如果发送方所持有的公钥来路有问题或是被替换了，那么，持有对应私钥的冒充接受方就有可能接收到发送方发送的报文。这里的问题就是：对于请求方来说，它怎么能确定它所得到的公钥一定是从目标主机那里发布的，而且没有被篡改过呢？亦或者请求的目标主机本本身就从事窃取用户信息的不正当行为呢？这时候，我们需要有一个权威的值得信赖的第三方机构(一般是由政府审核并授权的机构)来统一对外发放主机机构的公钥，只要请求方这种机构获取公钥，就避免了上述问题的发生。这种机构被称为证书权威机构（Certificate Authority, CA），它们所发放的包含主机机构名称、公钥在内的文件就是人们所说的“数字证书”。
数字证书的颁发过程一般为：用户首先产生自己的密钥对，并将公共密钥及部分个人身份信息传送给认证中心。认证中心在核实身份后，将执行一些必要的步骤，以确信请求确实由用户发送而来，然后，认证中心将发给用户一个数字证书，该证书内包含用户的个人信息和他的公钥信息，同时还附有认证中心的签名信息。用户就可以使用自己的数字证书进行相关的各种活动。数字证书由独立的证书发行机构发布。数字证书各不相同，每种证书可提供不同级别的可信度。可以从证书发行机构获得您自己的数字证书。（本段摘自百度百科）

SSL

SSL(Secure Socket Layer)是netscape公司设计的主要用于web的安全传输协议。这种协议在WEB上获得了广泛的应用，IETF(www.ietf.org)将SSL作了标准化，即RFC2246,并将其称为TLS（Transport Layer Security），从技术上讲，TLS1.0与SSL3.0的差别非常微小。
基本原理：先非对称加密传递对称加密所要用的钥匙，然后双方用该钥匙对称加密和解密往来的数据

要求：服务器端需安装数字证书，用户可能需要确认证书，会话过程中的加密与解密过程由浏览器与服务器自动完成，对用户完全透明。

SSL握手阶段示意图：

工作过程：

浏览器向服务器发出请求，询问对方支持的对称加密算法和非对称加密算法；服务器回应自己支持的算法。
浏览器选择双方都支持的加密算法，并请求服务器出示自己的证书；服务器回应自己的证书。
浏览器随机产生一个用于本次会话的对称加密的钥匙，并使用服务器证书中附带的公钥对该钥匙进行加密后传递给服务器；服务器为本次会话保持该对称加密的钥匙。第三方不知道服务器的私钥，即使截获了数据也无法解密。非对称加密让任何浏览器都可以与服务器进行加密会话。
浏览器使用对称加密的钥匙对请求消息加密后传送给服务器，服务器使用该对称加密的钥匙进行解密；服务器使用对称加密的钥匙对响应消息加密后传送给浏览器，浏览器使用该对称加密的钥匙进行解密。第三方不知道对称加密的钥匙，即使截获了数据也无法解密。对称加密提高了加密速度。

HTTPS
如果我们是在一开始来讲述HTTPS协议，那将会是一个很大的话题，但是讲到这里的时候，实现上所有关于HTTPS的内容，我们基本上已经讲完了，它所有依赖的所有安全技术就是上面我们所提及的，就像大家所知道的那样，HTTPS是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证（确认客户端连接的目标主机是否是真实正确的主机）的网络协议。https所能实现的安全保证，正是SSL所能解决的安全问题。

HTTPS的劣势：
https的主要缺点就是性能问题。造成https性能低于http的原因有两个：
1.对数据进行加解密决定了它比http慢。
2.另外一个重要原因的是https禁用了缓存。
相关测试数据表明使用HTTPS协议传输数据的工作效率只有使用HTTP协议传输的十分之一。因此对于一个网站来说，只有那对那些安全要求极高的的数据才会选择使用https进行传输。

对以上的知识联通起来做一个集中图示，相信大家会有更加清晰的理解：

1.鲍勃有两把钥匙，一把是公钥，另一把是私钥。

2.鲍勃把公钥送给他的朋友们----帕蒂、道格、苏珊----每人一把。

3.苏珊要给鲍勃写一封保密的信。她写完后用鲍勃的公钥加密，就可以达到保密的效果。

4.鲍勃收信后，用私钥解密，就看到了信件内容。这里要强调的是，只要鲍勃的私钥不泄露，这封信就是安全的，即使落在别人手里，也无法解密。

5.鲍勃给苏珊回信，决定采用"数字签名"。他写完后先用Hash函数，生成信件的数字摘要（digest）。

6.然后，鲍勃使用私钥，对这个数字摘要加密，生成"数字签名"（signature）。

7.鲍勃将这个签名，附在信件下面，一起发给苏珊。

8.苏珊收信后，取下数字签名，用鲍勃的公钥解密，得到信件的摘要。由此证明，这封信确实是鲍勃发出的。

9.苏珊再对信件本身使用Hash函数，将得到的结果，与上一步得到的摘要进行对比。如果两者一致，就证明这封信未被修改过。

10.复杂的情况出现了。道格想欺骗苏珊，他偷偷使用了苏珊的电脑，用自己的公钥换走了鲍勃的公钥。此时，苏珊实际拥有的是道格的公钥，但是还以为这是鲍勃的公钥。因此，道格就可以冒充鲍勃，用自己的私钥做成"数字签名"，写信给苏珊，让苏珊用假的鲍勃公钥进行解密。

11.后来，苏珊感觉不对劲，发现自己无法确定公钥是否真的属于鲍勃。她想到了一个办法，要求鲍勃去找"证书中心"（certificate authority，简称CA），为公钥做认证。证书中心用自己的私钥，对鲍勃的公钥和一些相关信息一起加密，生成"数字证书"（Digital Certificate）。

12.鲍勃拿到数字证书以后，就可以放心了。以后再给苏珊写信，只要在签名的同时，再附上数字证书就行了。

13.苏珊收信后，用CA的公钥解开数字证书，就可以拿到鲍勃真实的公钥了，然后就能证明"数字签名"是否真的是鲍勃签的。

14.我们看一个应用"数字证书"的实例：https协议。这个协议主要用于网页加密

15.首先，客户端向服务器发出加密请求。

16.服务器用自己的私钥加密网页以后，连同本身的数字证书，一起发送给客户端。

17.客户端（浏览器）的"证书管理器"，有"受信任的根证书颁发机构"列表。客户端会根据这张列表，查看解开数字证书的公钥是否在列表之内。

18.如果数字证书记载的网址，与你正在浏览的网址不一致，就说明这张证书可能被冒用，浏览器会发出警告。

19.如果这张数字证书不是由受信任的机构颁发的，浏览器会发出另一种警告。

20.如果数字证书是可靠的，客户端就可以使用证书中的服务器公钥，对信息进行加密，然后与服务器交换加密信息。