前后端数据加解密

发表于 2023-05-26 分类于编程技术阅读次数：本文字数： 2.8k 阅读时长 ≈ 10 分钟

前后端加解密

原文：https://blog.csdn.net/lingbomanbu_lyl/article/details/125238945

一、序言

最近刚好在做一个简单的保险代理人运营平台，主要是为了方便个人展业，由于有些客户数据比较敏感，所以在用户登录时准备对登录密码进行一波加密后再传输。

这里我准备用AES对称加密算法对数据进行加密传输，经过调研后前端加解密相关准备用CryptoJS，后端加解密工具类根据JDK1.8官方文档自己来实现。

二、关于前端CryptoJS

1、CryptoJS简单介绍

CryptoJS是标准安全加密算法的JavaScript实现，运行速度快，接口简单，见名知意。文档说明可参考：CryptoJS文档说明。

CryptoJS的实现主要有哈希算法，HMAC、加密算法、以及常用编解码算法。
哈希算法，如MD5、SHA-1、SHA-2等。
加密算法，如AES、DES等。
编解码算法，如Base64、Hex16等。

2、加密和填充模式选择

下图是CryptoJS支持的加密模式和填充模式，CryptoJS默认的加密模式为CBC，填充模式为Pkcs7。
在这里插入图片描述
常用的加密模式有CBC和ECB，由于CBC安全性更高，我们可以选用CBC和Pkcs7的组合。

3、前端AES加解密示例

(1) CryptoUtils工具类

这里我封装了一个CryptoJS工具类

import CryptoJS from "crypto-js";

/**
 * AES加密
 * @param plainText 明文
 * @param keyInBase64Str base64编码后的key
 * @returns {string} base64编码后的密文
 */
export function encryptByAES(plainText, keyInBase64Str) {
  let key = CryptoJS.enc.Base64.parse(keyInBase64Str);
  let encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(plainText, key, {
    mode: CryptoJS.mode.ECB,
    padding: CryptoJS.pad.Pkcs7,
  });
  // 这里的encrypted不是字符串，而是一个CipherParams对象
  return encrypted.ciphertext.toString(CryptoJS.enc.Base64);
}

/**
 * AES解密
 * @param cipherText 密文
 * @param keyInBase64Str base64编码后的key
 * @return 明文
 */
export function decryptByAES(cipherText, keyInBase64Str) {
  let key = CryptoJS.enc.Base64.parse(keyInBase64Str);
  // 返回的是一个Word Array Object，其实就是Java里的字节数组
  let decrypted = CryptoJS.AES.decrypt(cipherText, key, {
    mode: CryptoJS.mode.ECB,
    padding: CryptoJS.pad.Pkcs7,
  });

  return decrypted.toString(CryptoJS.enc.Utf8);
}

(2) 测试用例

const secretKey = "sQPoC/1do9BZMkg8I5c09A==";
const cipherText = encryptByAES("Hello", secretKey);
const plainText = decryptByAES(cipherText, secretKey);
console.log(`Hello加密后的密文为：${cipherText}`);
console.log(`解密后的内容为：${plainText}`);

控制台输出内容如下：

Hello加密后的密文为：iTgNXRqU80YZ52+iV7Ew2w==
解密后的内容为：Hello

(3) 加解密后输出内容说明

根据官方文档，解密后的明文是一个WordArray对象，也就是我们所说的Java中的字节数组，该对象有一个toString方法可以转换成16进制、Base64、UTF8等字符串。

加密后的密文也不是字符串，而是一个CipherParams对象，其中的ciphertext属性也是一个 WordArray对象。

三、Java后端AES加解密

1、Java中支持的加密模式和填充说明

前面我们前端AES加密模式用的是CBC，填充模式时是PKCS7。

现在我们先来看看Java中支持的加密模式和填充，在Java中这些被称为transformation，具体支持哪些transformation，请参考：JDK8中加密算法实现要求。

根据上图，我们只要算法、加密模式和填充模式和前端保持一致就行了，这里我们选用的transformation为AES/CBC/PKCS5Padding (128)。

备注：前端CryptoJS的填充模式为PKCS7，而Java中的填充模式为PKCS5，但这里并不会有啥影响。

2、工具类CryptoUtils

这里我自己封装了一个工具类，支持AES、DES、RSA、数字签名与校验等。

package com.universe.crypto;

import com.universe.crypto.CryptoUtils.Algorithm.Encryption;
import com.universe.crypto.CryptoUtils.Algorithm.Signing;
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.Getter;
import lombok.NoArgsConstructor;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
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.Signature;
import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
import java.security.spec.KeySpec;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;
import java.util.Base64.Decoder;
import java.util.Base64.Encoder;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

/**
 * 支持AES、DES、RSA加密、数字签名以及生成对称密钥和非对称密钥对
 */
public class CryptoUtils {

	private static final Charset DEFAULT_CHARSET = StandardCharsets.UTF_8;
	private static final Encoder BASE64_ENCODER = Base64.getEncoder();
	private static final Decoder BASE64_DECODER = Base64.getDecoder();

	private static final Map<Algorithm, KeyFactory> KEY_FACTORY_CACHE = new ConcurrentHashMap<>();
	private static final Map<Algorithm, Cipher> CIPHER_CACHE = new HashMap<>();

	/**
	 * 生成对称密钥，目前支持的算法有AES、DES
	 * @param algorithm
	 * @return
	 * @throws NoSuchAlgorithmException
	 */
	public static String generateSymmetricKey(Algorithm algorithm) throws NoSuchAlgorithmException {
		KeyGenerator generator = KeyGenerator.getInstance(algorithm.getName());
		generator.init(algorithm.getKeySize());
		SecretKey secretKey = generator.generateKey();
		return BASE64_ENCODER.encodeToString(secretKey.getEncoded());
	}

	/**
	 * 生成非对称密钥对，目前支持的算法有RSA、DSA。备注：默认生成的密钥格式为PKCS8
	 * @param algorithm
	 * @return
	 * @throws NoSuchAlgorithmException
	 */
	public static AsymmetricKeyPair generateAsymmetricKeyPair(Algorithm algorithm) throws NoSuchAlgorithmException {
		KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance(algorithm.getName());
		generator.initialize(algorithm.getKeySize());
		KeyPair keyPair = generator.generateKeyPair();
		String publicKey = BASE64_ENCODER.encodeToString(keyPair.getPublic().getEncoded());
		String privateKey = BASE64_ENCODER.encodeToString(keyPair.getPrivate().getEncoded());
		return new AsymmetricKeyPair(publicKey, privateKey);
	}

	public static String encryptByRSA(String publicKeyText, String plainText) throws Exception {
		return encryptAsymmetrically(publicKeyText, plainText, Encryption.RSA_ECB_PKCS1);
	}

	public static String decryptByRSA(String privateKeyText, String ciphertext) throws Exception {
		return decryptAsymmetrically(privateKeyText, ciphertext, Encryption.RSA_ECB_PKCS1);
	}

	/**
	 * SHA1签名算法和DSA加密算法结合使用生成数字签名
	 * @param privateKeyText
	 * @param msg
	 * @return 数字签名
	 * @throws Exception
	 */
	public static String signBySHA1WithDSA(String privateKeyText, String msg) throws Exception {
		return doSign(privateKeyText, msg, Encryption.DSA, Signing.SHA1WithDSA);
	}

	/**
	 * SHA1签名算法和RSA加密算法结合使用生成数字签名
	 * @param privateKeyText 私钥
	 * @param msg 待加签内容
	 * @return 数字签名
	 * @throws Exception
	 */
	public static String signBySHA1WithRSA(String privateKeyText, String msg) throws Exception {
		return doSign(privateKeyText, msg, Encryption.RSA_ECB_PKCS1, Signing.SHA1WithRSA);
	}

	/**
	 * SHA256签名算法和RSA加密算法结合使用生成数字签名
	 * @param privateKeyText 私钥
	 * @param msg 待加签内容
	 * @return 数字签名
	 * @throws Exception
	 */
	public static String signBySHA256WithRSA(String privateKeyText, String msg) throws Exception {
		return doSign(privateKeyText, msg, Encryption.RSA_ECB_PKCS1, Signing.SHA256WithRSA);
	}

	/**
	 * SHA1签名算法和DSA加密算法检验数字签名
	 * @param publicKeyText 公钥
	 * @param msg 待验签内容
	 * @param signatureText 数字
	 * @return 检验是否成功
	 * @throws Exception
	 */
	public static boolean verifyBySHA1WithDSA(String publicKeyText, String msg, String signatureText) throws Exception {
		return doVerify(publicKeyText, msg, signatureText, Encryption.DSA, Signing.SHA1WithDSA);
	}

	/**
	 * SHA1签名算法和RSA加密算法检验数字签名
	 * @param publicKeyText 公钥
	 * @param msg 待验签内容
	 * @param signatureText 签名
	 * @return 校验是否成功
	 * @throws Exception
	 */
	public static boolean verifyBySHA1WithRSA(String publicKeyText, String msg, String signatureText) throws Exception {
		return doVerify(publicKeyText, msg, signatureText, Encryption.RSA_ECB_PKCS1, Signing.SHA1WithRSA);
	}

	/**
	 * SHA256签名算法和RSA加密算法检验数字签名
	 * @param publicKeyText 公钥
	 * @param msg 待验签内容
	 * @param signatureText 签名
	 * @return 校验是否成功
	 * @throws Exception
	 */
	public static boolean verifyBySHA256WithRSA(String publicKeyText, String msg, String signatureText) throws Exception {
		return doVerify(publicKeyText, msg, signatureText, Encryption.RSA_ECB_PKCS1, Signing.SHA256WithRSA);
	}

	/**
	 * 对称加密
	 * @param secretKey 密钥
	 * @param iv 加密向量，只有CBC模式才支持，如果是CBC则必传
	 * @param plainText 明文
	 * @param algorithm 对称加密算法，如AES、DES
	 * @return
	 * @throws Exception
	 */
	public static String encryptSymmetrically(String secretKey, String iv, String plainText, Algorithm algorithm) throws Exception {
		SecretKey key = decodeSymmetricKey(secretKey, algorithm);
		IvParameterSpec ivParameterSpec = StringUtils.isBlank(iv) ? null : decodeIv(iv);
		byte[] plainTextInBytes = plainText.getBytes(DEFAULT_CHARSET);
		byte[] ciphertextInBytes = transform(algorithm, Cipher.ENCRYPT_MODE, key, ivParameterSpec, plainTextInBytes);

		return BASE64_ENCODER.encodeToString(ciphertextInBytes);
	}

	/**
	 * 对称解密
	 * @param secretKey 密钥
	 * @param iv 加密向量，只有CBC模式才支持，如果是CBC则必传
	 * @param ciphertext 密文
	 * @param algorithm 对称加密算法，如AES、DES
	 * @return
	 * @throws Exception
	 */
	public static String decryptSymmetrically(String secretKey, String iv, String ciphertext, Algorithm algorithm) throws Exception {
		SecretKey key = decodeSymmetricKey(secretKey, algorithm);
		IvParameterSpec ivParameterSpec = StringUtils.isBlank(iv) ? null : decodeIv(iv);
		byte[] ciphertextInBytes = BASE64_DECODER.decode(ciphertext);
		byte[] plainTextInBytes = transform(algorithm, Cipher.DECRYPT_MODE, key, ivParameterSpec, ciphertextInBytes);
		return new String(plainTextInBytes, DEFAULT_CHARSET);
	}

	/**
	 * 非对称加密
	 * @param publicKeyText 公钥
	 * @param plainText 明文
	 * @param algorithm 非对称加密算法
	 * @return
	 * @throws Exception
	 */
	public static String encryptAsymmetrically(String publicKeyText, String plainText, Algorithm algorithm) throws Exception {
		PublicKey publicKey = regeneratePublicKey(publicKeyText, algorithm);
		byte[] plainTextInBytes = plainText.getBytes(DEFAULT_CHARSET);
		byte[] ciphertextInBytes = transform(algorithm, Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey, plainTextInBytes);
		return BASE64_ENCODER.encodeToString(ciphertextInBytes);
	}

	/**
	 * 非对称解密
	 * @param privateKeyText 私钥
	 * @param ciphertext 密文
	 * @param algorithm 非对称加密算法
	 * @return
	 * @throws Exception
	 */
	public static String decryptAsymmetrically(String privateKeyText, String ciphertext, Algorithm algorithm) throws Exception {
		PrivateKey privateKey = regeneratePrivateKey(privateKeyText, algorithm);
		byte[] ciphertextInBytes = BASE64_DECODER.decode(ciphertext);
		byte[] plainTextInBytes = transform(algorithm, Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey, ciphertextInBytes);
		return new String(plainTextInBytes, DEFAULT_CHARSET);
	}

	/**
	 * 生成数字签名
	 * @param privateKeyText 私钥
	 * @param msg 传输的数据
	 * @param encryptionAlgorithm 加密算法，见Algorithm中的加密算法
	 * @param signatureAlgorithm 签名算法，见Algorithm中的签名算法
	 * @return 数字签名
	 * @throws Exception
	 */
	public static String doSign(String privateKeyText, String msg, Algorithm encryptionAlgorithm, Algorithm signatureAlgorithm)
		throws Exception {
		PrivateKey privateKey = regeneratePrivateKey(privateKeyText, encryptionAlgorithm);
		// Signature只支持签名算法
		Signature signature = Signature.getInstance(signatureAlgorithm.getName());
		signature.initSign(privateKey);
		signature.update(msg.getBytes(DEFAULT_CHARSET));
		byte[] signatureInBytes = signature.sign();
		return BASE64_ENCODER.encodeToString(signatureInBytes);
	}

	/**
	 * 数字签名验证
	 * @param publicKeyText 公钥
	 * @param msg 传输的数据
	 * @param signatureText 数字签名
	 * @param encryptionAlgorithm 加密算法，见Algorithm中的加密算法
	 * @param signatureAlgorithm 签名算法，见Algorithm中的签名算法
	 * @return 校验是否成功
	 * @throws Exception
	 */
	public static boolean doVerify(String publicKeyText, String msg, String signatureText, Algorithm encryptionAlgorithm,
		Algorithm signatureAlgorithm) throws Exception {
		PublicKey publicKey = regeneratePublicKey(publicKeyText, encryptionAlgorithm);
		Signature signature = Signature.getInstance(signatureAlgorithm.getName());
		signature.initVerify(publicKey);
		signature.update(msg.getBytes(DEFAULT_CHARSET));
		return signature.verify(BASE64_DECODER.decode(signatureText));
	}

	/**
	 * 将密钥进行Base64位解码，重新生成SecretKey实例
	 * @param secretKey 密钥
	 * @param algorithm 算法
	 * @return
	 */
	private static SecretKey decodeSymmetricKey(String secretKey, Algorithm algorithm) {
		byte[] key = BASE64_DECODER.decode(secretKey);
		return new SecretKeySpec(key, algorithm.getName());
	}

	private static IvParameterSpec decodeIv(String iv) {
		byte[] ivInBytes = BASE64_DECODER.decode(iv);
		return new IvParameterSpec(ivInBytes);
	}

	private static PublicKey regeneratePublicKey(String publicKeyText, Algorithm algorithm)
		throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {
		byte[] keyInBytes = BASE64_DECODER.decode(publicKeyText);
		KeyFactory keyFactory = getKeyFactory(algorithm);
		// 公钥必须使用RSAPublicKeySpec或者X509EncodedKeySpec
		KeySpec publicKeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyInBytes);
		PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(publicKeySpec);
		return publicKey;
	}

	private static PrivateKey regeneratePrivateKey(String key, Algorithm algorithm) throws Exception {
		byte[] keyInBytes = BASE64_DECODER.decode(key);
		KeyFactory keyFactory = getKeyFactory(algorithm);
		// 私钥必须使用RSAPrivateCrtKeySpec或者PKCS8EncodedKeySpec
		KeySpec privateKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyInBytes);
		PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(privateKeySpec);
		return privateKey;
	}

	private static KeyFactory getKeyFactory(Algorithm algorithm) throws NoSuchAlgorithmException {
		KeyFactory keyFactory = KEY_FACTORY_CACHE.get(algorithm);
		if (keyFactory == null) {
			keyFactory = KeyFactory.getInstance(algorithm.getName());
			KEY_FACTORY_CACHE.put(algorithm, keyFactory);
		}

		return keyFactory;
	}

	private static byte[] transform(Algorithm algorithm, int mode, Key key, byte[] msg) throws Exception {
		return transform(algorithm, mode, key, null, msg);
	}

	private static byte[] transform(Algorithm algorithm, int mode, Key key, IvParameterSpec iv, byte[] msg) throws Exception {
		Cipher cipher = CIPHER_CACHE.get(algorithm);
		// double check，减少上下文切换
		if (cipher == null) {
			synchronized (CryptoUtils.class) {
				if ((cipher = CIPHER_CACHE.get(algorithm)) == null) {
					cipher = determineWhichCipherToUse(algorithm);
					CIPHER_CACHE.put(algorithm, cipher);
				}
				cipher.init(mode, key, iv);
				return cipher.doFinal(msg);
			}
		}

		synchronized (CryptoUtils.class) {
			cipher.init(mode, key, iv);
			return cipher.doFinal(msg);
		}
	}

	private static Cipher determineWhichCipherToUse(Algorithm algorithm) throws NoSuchAlgorithmException, NoSuchPaddingException {
		Cipher cipher;
		String transformation = algorithm.getTransformation();
		// 官方推荐的transformation使用algorithm/mode/padding组合，SunJCE使用ECB作为默认模式，使用PKCS5Padding作为默认填充
		if (StringUtils.isNotEmpty(transformation)) {
			cipher = Cipher.getInstance(transformation);
		} else {
			cipher = Cipher.getInstance(algorithm.getName());
		}

		return cipher;
	}

	/**
	 * 算法分为加密算法和签名算法，更多算法实现见：<br/>
	 * <a href="https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/security/StandardNames.html#impl">jdk8中的标准算法</a>
	 */
	public static class Algorithm {

		public interface Encryption {
			Algorithm AES_ECB_PKCS5 = new Algorithm("AES", "AES/ECB/PKCS5Padding", 128);
			Algorithm AES_CBC_PKCS5 = new Algorithm("AES", "AES/CBC/PKCS5Padding", 128);
			Algorithm DES_ECB_PKCS5 = new Algorithm("DES", "DES/ECB/PKCS5Padding", 56);
			Algorithm DES_CBC_PKCS5 = new Algorithm("DES", "DES/CBC/PKCS5Padding", 56);
			Algorithm RSA_ECB_PKCS1 = new Algorithm("RSA", "RSA/ECB/PKCS1Padding", 1024);
			Algorithm DSA = new Algorithm("DSA", 1024);
		}

		public interface Signing {
			Algorithm SHA1WithDSA = new Algorithm("SHA1withDSA", 1024);
			Algorithm SHA1WithRSA = new Algorithm("SHA1WithRSA", 2048);
			Algorithm SHA256WithRSA = new Algorithm("SHA256WithRSA", 2048);
		}

		@Getter
		private String name;
		@Getter
		private String transformation;
		@Getter
		private int keySize;

		public Algorithm(String name, int keySize) {
			this(name, null, keySize);
		}

		public Algorithm(String name, String transformation, int keySize) {
			this.name = name;
			this.transformation = transformation;
			this.keySize = keySize;
		}

	}

	@Data
	@NoArgsConstructor
	@AllArgsConstructor
	public static class AsymmetricKeyPair {

		private String publicKey;
		private String privateKey;
	}

}

3、测试用例

public class AesDemo {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		String secretKey = CryptoUtils.generateSymmetricKey(Encryption.AES_ECB_PKCS5);
		String cipherText = CryptoUtils.encryptSymmetrically(secretKey, null, "test", Encryption.AES_ECB_PKCS5);
		System.out.println("生成的密钥为：" + secretKey);
		System.out.println("加密后的密文为：" + cipherText);
		System.out.println("解密后的明文为：" + CryptoUtils.decryptSymmetrically(secretKey, null, cipherText, Encryption.AES_ECB_PKCS5));
	}
}

控制台输出如下：

生成的密钥为：s44pylNUK38B+PdLJM9i6w==
加密后的密文为：xD3T5FQvikNc10jsv9G4Rg==
解密后的明文为：Hello World

四、前后端加解密交互测试

1、前端加密，后端解密

这里我们先在前端对明文进行AES加密。

const plainText = "Hello World";
const secretKey = "sQPoC/1do9BZMkg8I5c09A==";
const cipherText = encryptByAES(plainText, secretKey);
console.log(`加密后的密文为：${cipherText}`);

前端控制台输出如下：

加密后的密文为：38guooCNqRJaxvL8vh+kLg==

然后在Java后端对密文进行AES解密。

/**
 * @author Nick Liu
 * @date 2023/4/23
 */
public class AesDemo {

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		String secretKey = "sQPoC/1do9BZMkg8I5c09A==";
		String cipherText = "38guooCNqRJaxvL8vh+kLg==";
		System.out.println("解密后的明文为：" + CryptoUtils.decryptSymmetrically(secretKey, null, cipherText, Encryption.AES_ECB_PKCS5));
	}
}

后端控制台输出如下：

解密后的明文为：Hello World

2、后端加密，前端解密

我们先在Java后端对明文进行AES加密。

/**
 * @author Nick Liu
 * @date 2023/4/23
 */
public class AesDemo {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		String secretKey = "sQPoC/1do9BZMkg8I5c09A==";
		String plainText = "Hello World";
		System.out.println("加密后的密文为：" + CryptoUtils.encryptSymmetrically(secretKey, null, plainText, Encryption.AES_ECB_PKCS5));
	}
}

控制台输出如下：

加密后的密文为：38guooCNqRJaxvL8vh+kLg==

然后在前端对密文进行AES解密。

const secretKey = "sQPoC/1do9BZMkg8I5c09A==";
const cipherText = "38guooCNqRJaxvL8vh+kLg==";
const plainText = decryptByAES(cipherText, secretKey);
console.log(`解密后的内容为：${plainText}`);

控制台输出如下：

解密后的内容为：Hello World