Java安全通信、数字证书及应用实践
2008-01-05 09:10:46 来源：WEB开发网核心提示：摘要： 在本文中，我用具体的语言和大量的图片及完整的程序源码向你展示了在 java中如何实现通过消息摘要、消息验证码达到安全通信、以及用Java的工具生成数字证书，Java安全通信、数字证书及应用实践，和用程序给数字证书签名、以及用签名后的数学证书签名applet突破applet的访问权限的过程，给出了全部例子的具体代
摘要：
在本文中，我用具体的语言和大量的图片及完整的程序源码向你展示了在 java中如何实现通过消息摘要、消息验证码达到安全通信、以及用Java的工具生成数字证书，和用程序给数字证书签名、以及用签名后的数学证书签名applet突破applet的访问权限的过程，给出了全部例子的具体代码。
通过本文中你可以学到以下知识：
● 程序间如何安全通信
● 什么是 及 如何生成消息摘要
● 什么是 及 如何生成消息验证码
● 如何使用 Java工具生成和维护数字证书库
● 如何用程序给数字证书验证签名
● 如何利用数字证书给 applet签名突破applet的访问权限
要害字：
消息摘要、消息验证码、指纹、加密、安全、 Java、数字签名、applet、数字证书
一、基础知识
计算机安全通信过程中，常使用消息摘要和消息验证码来保证传输的数据未曾被第三方修改。
消息摘要是对原始数据按照一定算法进行计算得到的结果，它主要检测原始数据是否被修改过。消息摘要与加密不同，加密是对原始数据进行变换，可以从变换后的数据中获得原始数据，而消息摘要是从原始数据中获得一部分信息，它比原始数据少得多，因此消息摘要可以看作是原始数据的指纹。
例：下面一段程序计算一段字符串的消息摘要
package com.messagedigest;
import java.security.*;
public class DigestPass {
public static void main(String[] args) throws Exception{
String str="Hello,I sent to you 80 yuan.";
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("md5");//常用的有MD5,SHA算法等
md.update(str.getBytes("UTF-8"));//传入原始字串
byte[] re = md.digest();//计算消息摘要放入byte数组中
//下面把消息摘要转换为字符串
String result = "";
for(int i=0;i＜re.length;i++){
result += Integer.toHexString((0x000000ff&re[i])0xffffff00).substring(6);
}
System.out.PRintln(result);
}
}
当我们有时需要对一个文件加密时，以上方式不再适用。
又例：下面一段程序计算从输入（出）流中计算消息摘要。
package com.messagedigest;
import java.io.*;
import java.security.*;
public class DigestInput {
public static void main(String[] args) throws Exception{
String fileName = "test.txt";
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
FileInputStream fin = new FileInputStream(fileName);
DigestInputStream din = new DigestInputStream(fin,md);//构造输入流
//DigestOutputStream dout = new DigestOutputStream(fout,md);
//使用输入（出）流可以自己控制何时开始和关闭计算摘要
//也可以不控制，将全过程计算
//初始时是从开始即开始计算，如我们可以开始时关闭，然后从某一部分开始，如下：
//din.on(false);
int b;
while((b=din.read())!=-1){
//做一些对文件的处理
//if(b=='$') din.on(true); //当碰到文件中的符号$时才开始计算
}
byte[] re = md.digest();//获得消息摘要
//下面把消息摘要转换为字符串
String result = "";
for(int i=0;i＜re.length;i++){
result += Integer.toHexString((0x000000ff&re[i])0xffffff00).substring(6);
}
System.out.println(result);
}
}
当A和B通信时，A将数据传给B时，同时也将数据的消息摘要传给B，B收到后可以用该消息摘要验证A传的消息是否正确。这时会产生问题，即若传递过程中别人修改了数据时，同时也修改了消息摘要。B就无法确认数据是否正确。消息验证码可以解决这一问题。
使用消息验证码的前提是 A和B双方有一个共同的密钥，这样A可以将数据计算出来的消息摘要加密后发给B，以防止消息摘要被改。由于使用了共同的密钥，所以称为“验证码”。
例、下面的程序即可利用共同的密钥来计算消息摘要的验证码
package com.mac;
import java.io.*;
import java.security.*;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class MyMac {
public static void main(String[] args) throws Exception{
//这是一个消息摘要串
String str="TestString";
//共同的密钥编码，这个可以通过其它算法计算出来
byte[] kb={11,105,-119,50,4,-105,16,38,-14,-111,21,-95,70,-15,76,-74,
67,-88,59,-71,55,-125,104,42};
//获取共同的密钥
SecretKeySpec k = new SecretKeySpec(kb,"HMACSHA1");
//获取Mac对象
Mac m = Mac.getInstance("HmacMD5");
m.init(k);
m.update(str.getBytes("UTF-8"));
byte[] re = m.doFinal();//生成消息码
//下面把消息码转换为字符串
String result = "";
for(int i=0;i＜re.length;i++){
result += Integer.toHexString((0x000000ff&re[i])0xffffff00).substring(6);
}
System.out.println(result);
}
}
使用以上两种技术可以保证数据没有经过改变，但接收者还无法确定数据是否确实是某个人发来的。尽管消息码可以确定数据是某个有同样密钥的人发来的，但这要求双方具有共享的密钥，若有一组用户共享，我们就无法确定数据的来源了。
数字签名可以解决这一问题。数字签名利用非对称加密技术，发送者使用私钥加密数据产生的消息摘要（签名），接收者使用发送者的公钥解密消息摘要以验证签名是否是某个人的。由于私钥只有加密者才有，因此假如接收者用某个公钥解密了某个消息摘要，就可以确定这段消息摘要必然是对应的私钥持有者发来的。
使用数字签名的前提是接收数据者能够确信验证签名时（用发送者的私钥加密消息摘要）所用的公钥确实是某个人的 (因为有可能有人假告公钥)。数字证书可以解决这个问题。
数字证书含有两部分数据：一部分是对应主体（单位或个人）的信息，另一部分是这个主体所对应的公钥。即数字证书保存了主体和它的公钥的一一对应关系。同样，数字证书也有可能被假造，如何判定数字证书的内容的真实性呢？所以，有效的数字证书必须经过权威 CA的签名，即权威CA验证数字证书的内容的真实性，然后再在数字证书上使用自己的私钥签名（相当于在证书加章确认）。
这样，当用户收到这样的数字证书后，会用相应的权威 CA的公钥验证该证书的签名(因为权威的CA的公钥在操作系统中己经安装)。根据非对称加密的原理，假如该证书不是权威CA签名的，将不能通过验证，即该证书是不可靠的。
若通过验证，即可证实此证书含的信息（发信人的公钥和信息）是无误的。于是可以信任该证书，便可以通过该证书内含的公钥来确认数据确实是发送者发来的。
于是，双方通信时， A把数据的消息摘要用自己的私钥加密（即签名），然后把自己的数字证书和数据及签名后的消息摘要一起发送给B，B处查看A的数字证书，假如A的数字证书是经过权威CA验证可靠的，便信任A，便可使用A的数字证书中附带的A的公钥解密消息摘要（这一过程同时确认了发送数据的人又可以解密消息摘要），然后通过解密后的消息摘要验证数据是否正确无误没被修改。
利用这一原理，我们可以突破 java的applet小程序在浏览器中的权限，由于默认的applet权限控制不答应它访问操作系统级的一切。于是我们可以用我们数字证书来给applet签名，然后客户端收到该applet时，系统会自动查看给该applet签名的数字证书并提供给终端用户判定是否信认该数字证书，假如用户信认，则该applet便有了访问系统的权限。 二、 Java中的数字证书的生成及维护方法
Java中的keytool.exe可以用来创建数字证书，所有的数字证书是以一条一条(采用别名区别)的形式存入证书库的中，证书库中的一条证书包含该条证书的私钥，公钥和对应的数字证书的信息。证书库中的一条证书可以导出数字证书文件，数字证书文件只包括主体信息和对应的公钥。
每一个证书库是一个文件组成，它有访问密码，在首次创建时，它会自动生成证书库，并要求指定访问证书库的密码。
在创建证书的的时候，需要填写证书的一些信息和证书对应的私钥密码。这些信息包括 CN=xx,OU=xx,O=xx,L=xx,ST=xx,C=xx，它们的意思是：
CN(Common Name名字与姓氏)
OU(Organization Unit组织单位名称)
O(Organization组织名称)
L(Locality城市或区域名称)
ST(State州或省份名称)
C(Country国家名称）
可以采用交互式让工具提示输入以上信息，也可以采用参数
-dname "CN=xx,OU=xx,O=xx,L=xx,ST=xx,C=xx"来自动创建。
1、示例
如下所示一句采用交互式创建一个证书，指定证书库为 abnerCALib，创建别名为abnerCA的一条证书，它指定用RSA算法生成，
且指定密钥长度为 1024，证书有效期为3650天：
如下图所示：
上图中最后一步，我们输入的是 CN，代表中国的缩写，也可以直接输入“中国”两个字。
2、证书的操作方法
● 证书的显示
如：
将显示 abnerCALib证书库的的所有证书列表：如下图示：
又如： keytool -list -alias abnerCA -keystore abnerCALib
将显示 abnerCALib证书库中别名为abnerCA的证书的信息。如下图所示：
又如： keytool -list -v -alias abnerCA -keystore abnerCALib
将显示证书的具体信息（ -v参数）如下图所示：
点击查看大图
● 将证书导出到证书文件
如： keytool -eXPort -alias abnerCA -file abnerCA.cer -keystore abnerCALib
将把证书库 abnerCALib中的别名为abnerCA的证书导出到abnerCA.cer证书文件中，
它包含证书主体的信息及证书的公钥，不包括私钥，可以公开，如下图所示 :
上面导出的证书文件是以二进制编码文件，无法用文本编辑器正确显示，因此不利用公布证书，可以加上 -rfc参数以一种可打印的编者编码输出。
如：
keytool -export -alias abnerCA -file abnerCA.cer -keystore abnerCALib -storepass 100200 –rfc
这个命令在命令行中指定了证书库的访问密码，同时指定以可查看编码的方式输出。
3、通过证书文件查看证书的信息
通过命令 :keytool –printcert –file abnerCA.cer可以查看证书文件的信息。
也可以在 windows中双击产生的证书文件直接查看。
● 证书条目的删除
keytool的命令行参数-delete可以删除密钥库中的条目，如：
keytool -delete -alias abnerCA -keystore abnerCALib
这条命令将 abnerCALib库中的abnerCA这一条证书删除了。
● 证书条目口令的修改
如：
keytool –keypasswd –alias abnerCA –keystore abnerCALib
可以以交互的方式修改 abnerCALib证书库中的条目为abnerCA的证书。
Keytool –keypasswd –alias abnerCA –keypass 123456 –new 200100 –storepass 1002 00 –keystore abnerCALib
在本文中，我用具体的语言和大量的图片及完整的程序源码向你展示了在 java中如何实现通过消息摘要、消息验证码达到安全通信、以及用Java的工具生成数字证书，和用程序给数字证书签名、以及用签名后的数学证书签名applet突破applet的访问权限的过程，给出了全部例子的具体代码。
通过本文中你可以学到以下知识：
● 程序间如何安全通信
● 什么是 及 如何生成消息摘要
● 什么是 及 如何生成消息验证码
● 如何使用 Java工具生成和维护数字证书库
● 如何用程序给数字证书验证签名
● 如何利用数字证书给 applet签名突破applet的访问权限
要害字：
消息摘要、消息验证码、指纹、加密、安全、 Java、数字签名、applet、数字证书
一、基础知识
计算机安全通信过程中，常使用消息摘要和消息验证码来保证传输的数据未曾被第三方修改。
消息摘要是对原始数据按照一定算法进行计算得到的结果，它主要检测原始数据是否被修改过。消息摘要与加密不同，加密是对原始数据进行变换，可以从变换后的数据中获得原始数据，而消息摘要是从原始数据中获得一部分信息，它比原始数据少得多，因此消息摘要可以看作是原始数据的指纹。
例：下面一段程序计算一段字符串的消息摘要
package com.messagedigest;
import java.security.*;
public class DigestPass {
public static void main(String[] args) throws Exception{
String str="Hello,I sent to you 80 yuan.";
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("md5");//常用的有MD5,SHA算法等
md.update(str.getBytes("UTF-8"));//传入原始字串
byte[] re = md.digest();//计算消息摘要放入byte数组中
//下面把消息摘要转换为字符串
String result = "";
for(int i=0;i＜re.length;i++){
result += Integer.toHexString((0x000000ff&re[i])0xffffff00).substring(6);
}
System.out.PRintln(result);
}
}
当我们有时需要对一个文件加密时，以上方式不再适用。
又例：下面一段程序计算从输入（出）流中计算消息摘要。
package com.messagedigest;
import java.io.*;
import java.security.*;
public class DigestInput {
public static void main(String[] args) throws Exception{
String fileName = "test.txt";
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
FileInputStream fin = new FileInputStream(fileName);
DigestInputStream din = new DigestInputStream(fin,md);//构造输入流
//DigestOutputStream dout = new DigestOutputStream(fout,md);
//使用输入（出）流可以自己控制何时开始和关闭计算摘要
//也可以不控制，将全过程计算
//初始时是从开始即开始计算，如我们可以开始时关闭，然后从某一部分开始，如下：
//din.on(false);
int b;
while((b=din.read())!=-1){
//做一些对文件的处理
//if(b=='$') din.on(true); //当碰到文件中的符号$时才开始计算
}
byte[] re = md.digest();//获得消息摘要
//下面把消息摘要转换为字符串
String result = "";
for(int i=0;i＜re.length;i++){
result += Integer.toHexString((0x000000ff&re[i])0xffffff00).substring(6);
}
System.out.println(result);
}
}
当A和B通信时，A将数据传给B时，同时也将数据的消息摘要传给B，B收到后可以用该消息摘要验证A传的消息是否正确。这时会产生问题，即若传递过程中别人修改了数据时，同时也修改了消息摘要。B就无法确认数据是否正确。消息验证码可以解决这一问题。
使用消息验证码的前提是 A和B双方有一个共同的密钥，这样A可以将数据计算出来的消息摘要加密后发给B，以防止消息摘要被改。由于使用了共同的密钥，所以称为“验证码”。
例、下面的程序即可利用共同的密钥来计算消息摘要的验证码
package com.mac;
import java.io.*;
import java.security.*;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class MyMac {
public static void main(String[] args) throws Exception{
//这是一个消息摘要串
String str="TestString";
//共同的密钥编码，这个可以通过其它算法计算出来
byte[] kb={11,105,-119,50,4,-105,16,38,-14,-111,21,-95,70,-15,76,-74,
67,-88,59,-71,55,-125,104,42};
//获取共同的密钥
SecretKeySpec k = new SecretKeySpec(kb,"HMACSHA1");
//获取Mac对象
Mac m = Mac.getInstance("HmacMD5");
m.init(k);
m.update(str.getBytes("UTF-8"));
byte[] re = m.doFinal();//生成消息码
//下面把消息码转换为字符串
String result = "";
for(int i=0;i＜re.length;i++){
result += Integer.toHexString((0x000000ff&re[i])0xffffff00).substring(6);
}
System.out.println(result);
}
}
使用以上两种技术可以保证数据没有经过改变，但接收者还无法确定数据是否确实是某个人发来的。尽管消息码可以确定数据是某个有同样密钥的人发来的，但这要求双方具有共享的密钥，若有一组用户共享，我们就无法确定数据的来源了。
数字签名可以解决这一问题。数字签名利用非对称加密技术，发送者使用私钥加密数据产生的消息摘要（签名），接收者使用发送者的公钥解密消息摘要以验证签名是否是某个人的。由于私钥只有加密者才有，因此假如接收者用某个公钥解密了某个消息摘要，就可以确定这段消息摘要必然是对应的私钥持有者发来的。
使用数字签名的前提是接收数据者能够确信验证签名时（用发送者的私钥加密消息摘要）所用的公钥确实是某个人的 (因为有可能有人假告公钥)。数字证书可以解决这个问题。
数字证书含有两部分数据：一部分是对应主体（单位或个人）的信息，另一部分是这个主体所对应的公钥。即数字证书保存了主体和它的公钥的一一对应关系。同样，数字证书也有可能被假造，如何判定数字证书的内容的真实性呢？所以，有效的数字证书必须经过权威 CA的签名，即权威CA验证数字证书的内容的真实性，然后再在数字证书上使用自己的私钥签名（相当于在证书加章确认）。
这样，当用户收到这样的数字证书后，会用相应的权威 CA的公钥验证该证书的签名(因为权威的CA的公钥在操作系统中己经安装)。根据非对称加密的原理，假如该证书不是权威CA签名的，将不能通过验证，即该证书是不可靠的。
若通过验证，即可证实此证书含的信息（发信人的公钥和信息）是无误的。于是可以信任该证书，便可以通过该证书内含的公钥来确认数据确实是发送者发来的。
于是，双方通信时， A把数据的消息摘要用自己的私钥加密（即签名），然后把自己的数字证书和数据及签名后的消息摘要一起发送给B，B处查看A的数字证书，假如A的数字证书是经过权威CA验证可靠的，便信任A，便可使用A的数字证书中附带的A的公钥解密消息摘要（这一过程同时确认了发送数据的人又可以解密消息摘要），然后通过解密后的消息摘要验证数据是否正确无误没被修改。
利用这一原理，我们可以突破 java的applet小程序在浏览器中的权限，由于默认的applet权限控制不答应它访问操作系统级的一切。于是我们可以用我们数字证书来给applet签名，然后客户端收到该applet时，系统会自动查看给该applet签名的数字证书并提供给终端用户判定是否信认该数字证书，假如用户信认，则该applet便有了访问系统的权限。 二、 Java中的数字证书的生成及维护方法
Java中的keytool.exe可以用来创建数字证书，所有的数字证书是以一条一条(采用别名区别)的形式存入证书库的中，证书库中的一条证书包含该条证书的私钥，公钥和对应的数字证书的信息。证书库中的一条证书可以导出数字证书文件，数字证书文件只包括主体信息和对应的公钥。
每一个证书库是一个文件组成，它有访问密码，在首次创建时，它会自动生成证书库，并要求指定访问证书库的密码。
在创建证书的的时候，需要填写证书的一些信息和证书对应的私钥密码。这些信息包括 CN=xx,OU=xx,O=xx,L=xx,ST=xx,C=xx，它们的意思是：
CN(Common Name名字与姓氏)
OU(Organization Unit组织单位名称)
O(Organization组织名称)
L(Locality城市或区域名称)
ST(State州或省份名称)
C(Country国家名称）
可以采用交互式让工具提示输入以上信息，也可以采用参数
-dname "CN=xx,OU=xx,O=xx,L=xx,ST=xx,C=xx"来自动创建。
1、示例
如下所示一句采用交互式创建一个证书，指定证书库为 abnerCALib，创建别名为abnerCA的一条证书，它指定用RSA算法生成，
且指定密钥长度为 1024，证书有效期为3650天：
如下图所示：
上图中最后一步，我们输入的是 CN，代表中国的缩写，也可以直接输入“中国”两个字。
2、证书的操作方法
● 证书的显示
如：
将显示 abnerCALib证书库的的所有证书列表：如下图示：
又如： keytool -list -alias abnerCA -keystore abnerCALib
将显示 abnerCALib证书库中别名为abnerCA的证书的信息。如下图所示：
又如： keytool -list -v -alias abnerCA -keystore abnerCALib
将显示证书的具体信息（ -v参数）如下图所示：
● 将证书导出到证书文件
如： keytool -eXPort -alias abnerCA -file abnerCA.cer -keystore abnerCALib
将把证书库 abnerCALib中的别名为abnerCA的证书导出到abnerCA.cer证书文件中，
它包含证书主体的信息及证书的公钥，不包括私钥，可以公开，如下图所示 :
上面导出的证书文件是以二进制编码文件，无法用文本编辑器正确显示，因此不利用公布证书，可以加上 -rfc参数以一种可打印的编者编码输出。
如：
keytool -export -alias abnerCA -file abnerCA.cer -keystore abnerCALib -storepass 100200 –rfc
这个命令在命令行中指定了证书库的访问密码，同时指定以可查看编码的方式输出。
3、通过证书文件查看证书的信息
通过命令 :keytool –printcert –file abnerCA.cer可以查看证书文件的信息。
也可以在 windows中双击产生的证书文件直接查看。
● 证书条目的删除
keytool的命令行参数-delete可以删除密钥库中的条目，如：
keytool -delete -alias abnerCA -keystore abnerCALib
这条命令将 abnerCALib库中的abnerCA这一条证书删除了。
● 证书条目口令的修改
如：
keytool –keypasswd –alias abnerCA –keystore abnerCALib
可以以交互的方式修改 abnerCALib证书库中的条目为abnerCA的证书。
Keytool –keypasswd –alias abnerCA –keypass 123456 –new 200100 –storepass 1002 00 –keystore abnerCALib
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