【Java小工匠】非对称加密--DH密钥交换算法

1、DH密钥交换概述

Diffie-Hellman由Whitfield Diffie和Martin Hellman在1976年公布的一种密钥一致性算法。Diffie-Hellman是一种建立密钥的方法，而不是加密方法。然而，它所产生的密钥可用于加密、进一步的密钥管理或任何其它的加密方式。Diffie-Hellman密钥交换算法及其优化首次发表的公开密钥算法出现在Diffie和Hellman的论文中，这篇影响深远的论文奠定了公开密钥密码编码学。

2、DH密钥交换算法原理

2.1、使用颜色形象描述

设想这样一个场景，Alice(A)和Bob(B)，他们想在不见面的情况下秘密约定出一种颜色，但他们互相沟通的信息都会被公开，应该怎么办呢？

DH密钥交换算法

秘密在于，颜色混合是一种“不可逆”的操作，当双方交换颜色时，尽管我们知道他们交换的颜色都是由一份黄色和另一份其他颜色混合得到的，但我们还是无法或者很难得到他们的私密颜色。

2.2、数学算法

2.2.1 算法背景

乘方得逆运算称为对数运算，比如已知 7^x = 49 那么可知 x=log(7,49)=2。对数运算非常容易，即使在数字很大的时候是，但如果是下面的情况 7^xmod13=8 。求X的过程称为“离散对数”，就不那么容易了，在数字很大时几乎是一个不可能的运算，而DH秘钥交换就是利用了这种离散对数计算非常困难的特性来设计的。

2.2.2 取模运算规律

公式里的mod是取模运算，取模运算有几条基本的定律如下：
(a+b) mod P =(a mod P+b mod P) mod P
(a∗b) mod P = (a mod P∗b mod P) mod P
(a^b) mod P = (a mod P)^b) mod P

2.2.3 密钥交换流程

根据上面的公式，可以推导出一个非常重要的公式。
(G^(a∗b)) mod P=(G^a mod P)^b mod P=(G^b mod P)^a mod P
根据这个公式，我们可以向上面交换颜色那样设计出一个秘密交换数字的流程出来。

交换流程

最终两个人得到的秘密数字都是g^(ab) mod p，而窃听者仅从p,g,A,B四个公开信息，是无法得到这个秘密数字的！

2.2.4举例说明

第1步.爱丽丝与鲍伯协定使用p=23以及g=5.
第2步.爱丽丝选择一个秘密整数a=6, 计算A = g^a mod p并发送给鲍伯。 A = 5^6 mod 23 = 8.
第3步.鲍伯选择一个秘密整数b=15, 计算B = g^b mod p并发送给爱丽丝。
B = 5^15 mod 23 = 19.
第4步.爱丽丝计算
s = B a mod p
19^6 mod 23 = 2.
第5步.鲍伯计算s = A b mod p
8^15 mod 23 = 2.

3、DH密钥交换算用途

可以用作对称加密算法中，双方约定的加密准则的交换（对方的公钥和自己的私钥计算的到秘密整数，可以作为双方的加密准则）。交换双方可以在不共享任何秘密的情况下协商出一个密钥。

4、中间人攻击

由于密钥交换本身并没有提供通讯双方的身份验证服务，因此它很容易受到中间人攻击。一个中间人“丙”在信道的中央进行两次迪菲－赫尔曼密钥交换，一次和甲，另一次和乙，就能够成功的向甲假装自己是乙，反之亦然。而攻击者可以解密（读取和存储）任何一个人的信息并重新加密信息，然后传递给另一个人。因此通常都需要一个能够验证通讯双方身份的机制来防止这类攻击。

5、算法实现

5.1、JDK算法实现

package lzf.cipher.jdk;

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.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import javax.crypto.KeyAgreement;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.interfaces.DHPublicKey;
import javax.crypto.spec.DHParameterSpec;

/**
 * @author java小工匠
 */
public class JdkDHUtils {

    public static final String ALGORITHM = "DH";

    // 甲方初始化密钥对
    public static KeyPair initKey() {
        try {
            // 实例化密钥对生成器
            KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
            // 初始化密钥对生成器参数 默认1024 512-1024之间64的倍数
            generator.initialize(1024);
            // 产生密钥对
            KeyPair keyPair = generator.genKeyPair();
            return keyPair;
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            throw new RuntimeException(e.getMessage(), e);
        }
    }

    // 乙方初始化密钥生成对
    public static KeyPair initKey(byte[] key) {
        try {
            // 公钥从字节数组转换为PublicKey
            X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(key);
            // 实例化密钥工厂
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM);
            // 还原甲方的公钥
            DHPublicKey dhPublicKey = (DHPublicKey) keyFactory.generatePublic(keySpec);
            // 剖析甲方公钥，得到其参数
            DHParameterSpec dhParameterSpec = dhPublicKey.getParams();
            // 实例化密钥对生成器
            KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
            // 使用得到的参数，初始化密钥生成器
            generator.initialize(dhParameterSpec);
            return generator.generateKeyPair();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e.getMessage(), e);
        }
    }

    // 获取公钥
    public static byte[] getPublicKey(KeyPair keyPair) {
        byte[] bytes = keyPair.getPublic().getEncoded();
        return bytes;
    }

    // 获取公钥
    public static String getPublicKeyStr(KeyPair keyPair) {
        byte[] bytes = keyPair.getPublic().getEncoded();
        return encodeHex(bytes);
    }

    // 获取私钥
    public static byte[] getPrivateKey(KeyPair keyPair) {
        byte[] bytes = keyPair.getPrivate().getEncoded();
        return bytes;
    }

    // 获取公钥
    public static String getPrivateKeyStr(KeyPair keyPair) {
        byte[] bytes = keyPair.getPrivate().getEncoded();
        return encodeHex(bytes);
    }

    // 生成本地密钥
    public static byte[] getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey) {
        try {
            // 实例化密钥工厂
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM);
            // 将公钥从字节数组转换为PublicKey
            X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
            PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(keySpec);
            // 将私钥从字节数组转换为PrivateKey
            PKCS8EncodedKeySpec privateSpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
            PrivateKey priKey = keyFactory.generatePrivate(privateSpec);
            // 先实例化KeyAgreement
            KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance(ALGORITHM);
            // 用自己的私钥初始化keyAgreement
            keyAgreement.init(priKey);
            // 结合对方的公钥进行运算
            keyAgreement.doPhase(pubKey, true);
            // 开始生成本地密钥SecretKey 密钥算法为对称密码算法
            SecretKey key = keyAgreement.generateSecret("AES");
            return key.getEncoded();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e.getMessage(), e);
        }
    }

    // 数据准16进制编码
    public static String encodeHex(final byte[] data) {
        return encodeHex(data, true);
    }

    // 数据转16进制编码
    public static String encodeHex(final byte[] data, final boolean toLowerCase) {
        final char[] DIGITS_LOWER = { '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f' };
        final char[] DIGITS_UPPER = { '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F' };
        final char[] toDigits = toLowerCase ? DIGITS_LOWER : DIGITS_UPPER;
        final int l = data.length;
        final char[] out = new char[l << 1];
        // two characters form the hex value.
        for (int i = 0, j = 0; i < l; i++) {
            out[j++] = toDigits[(0xF0 & data[i]) >>> 4];
            out[j++] = toDigits[0x0F & data[i]];
        }
        return new String(out);
    }

    public static void main(String[] args) {
        KeyPair keyPair1 = initKey();
        byte[] publicKey1 = getPublicKey(keyPair1);
        String publicKeyStr1 = encodeHex(publicKey1);
        byte[] privateKey1 = getPrivateKey(keyPair1);
        String privateKeyStr1 = encodeHex(privateKey1);
        System.out.println("甲方公钥:" + publicKeyStr1);
        System.out.println("甲方私钥:" + privateKeyStr1);
        KeyPair keyPair2 = initKey(publicKey1);
        byte[] publicKey2 = getPublicKey(keyPair2);
        String publicKeyStr2 = encodeHex(publicKey2);
        byte[] privateKey2 = getPrivateKey(keyPair2);
        String privateKeyStr2 = encodeHex(privateKey2);
        System.out.println("乙方公钥:" + publicKeyStr2);
        System.out.println("乙方私钥:" + privateKeyStr2);
        byte[] secrectKey1 = getSecretKey(publicKey2, privateKey1);
        byte[] secrectKey2 = getSecretKey(publicKey1, privateKey2);
        String secrectKeyStr1 = encodeHex(secrectKey1);
        String secrectKeyStr2 = encodeHex(secrectKey2);
        System.out.println("甲方协议密钥:" + secrectKeyStr1);
        System.out.println("乙方协议密钥:" + secrectKeyStr2);
        System.out.println("甲=乙:" + secrectKeyStr1.equals(secrectKeyStr2));

    }
}

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