Java DH密钥交换及加解密

描述

DH算法的作用：
只能用于密钥的交换，而不能进行消息的加密和解密。
密钥交换的过程：

image.png

具体步骤：
1）由消息发送的一方构建密钥，这里由甲方构建密钥。
2）由构建密钥的一方向对方公布其公钥，这里由甲方向乙方发布公钥。
3）由消息接收的一方通过对方公钥构建自身密钥，这里由乙方使用甲方公钥构建乙方密钥。
4）由消息接收的一方向对方公布其公钥，这里由乙方向甲方公布公钥。
5）甲方根据自己的私钥和乙方发来的公钥计算公共密钥。
6）乙方根据自己的私钥和甲方发来的公钥计算公共密钥。
7）甲乙双方的公共密钥应该是相等的，通过该密钥进行后续的AES加解密运算。
乙方构建自己密钥对的时候需要使用甲方公钥作为参数这是很关键的一点，如果缺少了这一环节则无法确保甲乙双方获得同一个密钥，消息加密更无从谈起。

实现代码

代码改进：
1 测试参考代码时，解密一直报错，借用AES加解密中的代码进行改进，能够进行正常的加解密运算。
2 甲乙的公钥、私钥前半部分是一样的，后半部分不一样，请注意。

import java.security.Key;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.Logger;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyAgreement;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.interfaces.DHPrivateKey;
import javax.crypto.interfaces.DHPublicKey;
import javax.crypto.spec.DHParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
 
public class DHUtils {
    /**
     * 非对称加密密钥算法
     */
    private static final String KEY_ALGORITHM = "DH";
    /**
     * 本地密钥算法，即对称加密密钥算法
     * 可选DES、DESede或者AES
     */
    private static final String SELECT_ALGORITHM = "AES";
    
    /**
     * 默认的加密算法
     */
    private static final String DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM = "AES/ECB/PKCS5Padding";

    
    /**
     * 密钥长度
     */
    
    private static final int KEY_SIZE = 512;
    //公钥
    private static final String PUBLIC_KEY = "DHPublicKey";
    //私钥
    private static final String PRIVATE_KEY = "DHPrivateKey";
    
    /**
     * 初始化甲方密钥
     * @return Map 甲方密钥Map
     * @throws Exception
     */
    public static Map<String, Object> initKey() throws Exception{
        //实例化密钥对生成器
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        //初始化密钥对生成器
        keyPairGenerator.initialize(KEY_SIZE);
        //生成密钥对
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        //甲方公钥
        DHPublicKey publicKey = (DHPublicKey)keyPair.getPublic();
        //甲方私钥
        DHPrivateKey privateKey = (DHPrivateKey)keyPair.getPrivate();
        //将密钥对存储在Map中
        Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>(2);
        keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
        keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
        return keyMap;
    }
    
    /**
     * 初始化乙方密钥
     * @param key 甲方公钥
     * @return Map 乙方密钥Map
     * @throws Exception
     */
    public static Map<String, Object> initKey(byte[] key) throws Exception{
        //解析甲方公钥
        //转换公钥材料
        X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(key);
        //实例化密钥工厂
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        //产生公钥
        PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
        //由甲方公钥构建乙方密钥
        DHParameterSpec dhParameterSpec = ((DHPublicKey)pubKey).getParams();
        //实例化密钥对生成器
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        //初始化密钥对生成器
        keyPairGenerator.initialize(dhParameterSpec);
        //产生密钥对
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        //乙方公钥
        DHPublicKey publicKey = (DHPublicKey) keyPair.getPublic();
        //乙方私约
        DHPrivateKey privateKey = (DHPrivateKey) keyPair.getPrivate();
        //将密钥对存储在Map中
        Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>(2);
        keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
        keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
        return keyMap;
    }
    /**
     * 生成加密秘钥
     *
     * @return
     */
    private static SecretKeySpec getSecretKey(final byte[] key) {
        //返回生成指定算法密钥生成器的 KeyGenerator 对象
        KeyGenerator kg = null;
    
        try {
            kg = KeyGenerator.getInstance(SELECT_ALGORITHM);
    
            //AES 要求密钥长度为 128
            kg.init(128, new SecureRandom(key));
    
            //生成一个密钥
            SecretKey secretKey = kg.generateKey();
    
            return new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), SELECT_ALGORITHM);// 转换为AES专用密钥
        } catch (NoSuchAlgorithmException ex) {
            Logger.getLogger(AESUtil.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
        }
    
        return null;
    }
    /**
     * 加密
     * @param data 待加密数据
     * @param key 密钥
     * @return byte[] 加密数据
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] encrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception{

        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);// 创建密码器
    
            byte[] byteContent = data;
    
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, getSecretKey(key));// 初始化为加密模式的密码器
    
            byte[] result = cipher.doFinal(byteContent);// 加密
            return result;
//            return Base64Utils.encode(result);//通过Base64转码返回
            
        } catch (Exception ex) {
            Logger.getLogger(AESUtil.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
        }
    
        return null;
    
        
    }
    
    /**
     * 解密
     * @param data 待解密数据
     * @param key 密钥
     * @return byte[] 解密数据
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] decrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception{

        try {
            //实例化
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);
    
            //使用密钥初始化，设置为解密模式
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, getSecretKey(key));
    
            //执行操作
            byte[] result = cipher.doFinal(data);
    
            return result;
            
        } catch (Exception ex) {
            Logger.getLogger(AESUtil.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
        }
    
        return null;
    }
    
    /**
     * 构建密钥
     * @param publicKey 公钥
     * @param privateKey 私钥
     * @return byte[] 本地密钥
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey) throws Exception{
        //实例化密钥工厂
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        //初始化公钥
        //密钥材料转换
        X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
        //产生公钥
        PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
        //初始化私钥
        //密钥材料转换
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
        //产生私钥
        PrivateKey priKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        //实例化
        KeyAgreement keyAgree = KeyAgreement.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        //初始化
        keyAgree.init(priKey);
        keyAgree.doPhase(pubKey, true);
        //生成本地密钥
        SecretKey secretKey = keyAgree.generateSecret(SELECT_ALGORITHM);
        return secretKey.getEncoded();
    }
    
    /**
     * 取得私钥
     * @param keyMap 密钥Map
     * @return byte[] 私钥
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] getPrivateKey(Map<String, Object> keyMap) throws Exception{
        Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
        return key.getEncoded();
    }
    
    /**
     * 取得公钥
     * @param keyMap 密钥Map
     * @return byte[] 公钥
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] getPublicKey(Map<String, Object> keyMap) throws Exception{
        Key key = (Key) keyMap.get(PUBLIC_KEY);
        return key.getEncoded();
    }
    

    /**
     * 主方法
     * @param args
     * @throws Exception
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //甲方公钥
        byte[] publicKey1;
        //甲方私钥
        byte[] privateKey1;
        //甲方本地密钥
        byte[] key1;
        //乙方公钥
        byte[] publicKey2;
        //乙方私钥
        byte[] privateKey2;
        //乙方本地密钥
        byte[] key2;
        
        //初始化密钥
        //生成甲方密钥对
        Map<String, Object> keyMap1 = DHUtils.initKey();
        publicKey1 = DHUtils.getPublicKey(keyMap1);
        privateKey1 = DHUtils.getPrivateKey(keyMap1);
        System.out.println("甲方公钥:\n" + Base64Utils.encode(publicKey1));
        System.out.println("甲方私钥:\n" + Base64Utils.encode(privateKey1));
        //由甲方公钥产生乙方本地密钥对
        Map<String, Object> keyMap2 = DHUtils.initKey(publicKey1);
        publicKey2 = DHUtils.getPublicKey(keyMap2);
        privateKey2 = DHUtils.getPrivateKey(keyMap2);
        System.out.println("乙方公钥:\n" + Base64Utils.encode(publicKey2));
        System.out.println("乙方私钥:\n" + Base64Utils.encode(privateKey2));
        key1 = DHUtils.getSecretKey(publicKey2, privateKey1);
        System.out.println("甲方本地密钥:\n" + Base64Utils.encode(key1));
        key2 = DHUtils.getSecretKey(publicKey1, privateKey2);
        System.out.println("乙方本地密钥:\n" + Base64Utils.encode(key2));
        
        System.out.println();
        System.out.println("===甲方向乙方发送加密数据===");
        String input1 = "求知若饥，虚心若愚。";
        System.out.println("原文:\n" + input1);
        System.out.println("---使用甲方本地密钥对数据进行加密---");
        //使用甲方本地密钥对数据加密
        byte[] encode1 = DHUtils.encrypt(input1.getBytes(), key1);
        System.out.println("加密:\n" + Base64Utils.encode(encode1));
        System.out.println("---使用乙方本地密钥对数据库进行解密---");
        //使用乙方本地密钥对数据进行解密
        byte[] decode1 = DHUtils.decrypt(encode1, key2);
        String output1 = new String(decode1);
        System.out.println("解密:\n" + output1);
        
        System.out.println("/~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~..~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~/");
        System.out.println("===乙方向甲方发送加密数据===");
        String input2 = "好好学习，天天向上。";
        System.out.println("原文:\n" + input2);
        System.out.println("---使用乙方本地密钥对数据进行加密---");
        //使用乙方本地密钥对数据进行加密
        byte[] encode2 = DHUtils.encrypt(input2.getBytes(), key2);
        System.out.println("加密:\n" + Base64Utils.encode(encode2));
        System.out.println("---使用甲方本地密钥对数据进行解密---");
        //使用甲方本地密钥对数据进行解密
        byte[] decode2 = DHUtils.decrypt(encode2, key1);
        String output2 = new String(decode2);
        System.out.println("解密:\n" + output2);
    }
        
}

程序运行结果

甲方公钥:
MIHfMIGXBgkqhkiG9w0BAwEwgYkCQQD8poLOjhLKuibvzPcRDlJtsHiwXt7LzR60ogjzrhYXrgHzW5Gkfm32NBPF4S7QiZvNEyrNUNmRUb3EPuc3WS4XAkBnhHGyepz0TukaScUUfbGpqvJE8FpDTWSGkx0tFCcbnjUDC3H9c9oXkGmzLik1Yw4cIGI1TQ2iCmxBblC+eUykAgIBgANDAAJASSv0Yr3ZAPLjx4v3AeYrT9Oi+jOxRjg79LsNDnMcaSDj5x4077FtIilCMDizonijx7SPf9R0JFEvWtxxQaCfVg==
甲方私钥:
MIHSAgEAMIGXBgkqhkiG9w0BAwEwgYkCQQD8poLOjhLKuibvzPcRDlJtsHiwXt7LzR60ogjzrhYXrgHzW5Gkfm32NBPF4S7QiZvNEyrNUNmRUb3EPuc3WS4XAkBnhHGyepz0TukaScUUfbGpqvJE8FpDTWSGkx0tFCcbnjUDC3H9c9oXkGmzLik1Yw4cIGI1TQ2iCmxBblC+eUykAgIBgAQzAjEAuHDrheHknkdkNAIKDKkZ/qy/alDf5Vodzex7oJbndsvmVJSnhnq5+gNP4fxsuLvU
乙方公钥:
MIHfMIGXBgkqhkiG9w0BAwEwgYkCQQD8poLOjhLKuibvzPcRDlJtsHiwXt7LzR60ogjzrhYXrgHzW5Gkfm32NBPF4S7QiZvNEyrNUNmRUb3EPuc3WS4XAkBnhHGyepz0TukaScUUfbGpqvJE8FpDTWSGkx0tFCcbnjUDC3H9c9oXkGmzLik1Yw4cIGI1TQ2iCmxBblC+eUykAgIBgANDAAJAdi+qTwkOw++UCM8jY/Ysn9t6+nXBPrqUu5hwjUihkDrChNEzQ6aJd7ES4Fu9HQe8nlQ/mjUMoecKKqTbq88oxw==
乙方私钥:
MIHSAgEAMIGXBgkqhkiG9w0BAwEwgYkCQQD8poLOjhLKuibvzPcRDlJtsHiwXt7LzR60ogjzrhYXrgHzW5Gkfm32NBPF4S7QiZvNEyrNUNmRUb3EPuc3WS4XAkBnhHGyepz0TukaScUUfbGpqvJE8FpDTWSGkx0tFCcbnjUDC3H9c9oXkGmzLik1Yw4cIGI1TQ2iCmxBblC+eUykAgIBgAQzAjEA9ELoy2WZgjvLCizKUiH63fflmUa8npnoRf6utra5z6YPxQ/Skof6cwv7Zpaog/T+
甲方本地密钥:
z/lFVca4FK9zer3Qr8FwZ1rqgZWBW9euVHQq1CRUpVo=
乙方本地密钥:
z/lFVca4FK9zer3Qr8FwZ1rqgZWBW9euVHQq1CRUpVo=

===甲方向乙方发送加密数据===
原文:
求知若饥，虚心若愚。
---使用甲方本地密钥对数据进行加密---
加密:
V4BnmieIqjZrmC8E4iPWaCetdwT9FbZ/Z4PoIRIwh1o=
---使用乙方本地密钥对数据库进行解密---
解密:
求知若饥，虚心若愚。
/~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~..~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~/
===乙方向甲方发送加密数据===
原文:
好好学习，天天向上。
---使用乙方本地密钥对数据进行加密---
加密:
iDkd+sLkYEehzuHVEq1MC9EKJuG+MDRHWxS5c7V0BHU=
---使用甲方本地密钥对数据进行解密---
解密:
好好学习，天天向上。

参考

密钥交换算法DH（Java实现）
https://blog.csdn.net/ldld1717/article/details/53116048
JAVA加密解密之DH（Diffie-Hellman）算法
https://blog.csdn.net/jianggujin/article/details/50537103