Java 加密技术（Java Cryptography）

更新于 2025-12-29

Jakob Jenkov 2019-10-14

Java 加密 API（Java Cryptography API）使你能够在 Java 中对数据进行加密和解密，以及管理密钥、对消息进行签名与验证、计算加密哈希值等更多功能。术语“加密”（cryptography）通常简称为“crypto”，因此有时你会看到“Java crypto”而不是“Java Cryptography”的说法，但这两个术语指的是同一个主题。

在本篇 Java 加密教程中，我将解释如何使用 Java 加密 API 来执行安全加密所需的各种任务。

注意：本教程不会涵盖底层的加密理论。如需了解相关理论，请参考其他资料。

Java 加密扩展（Java Cryptography Extension, JCE）

Java 加密 API 由官方称为 Java 加密扩展（Java Cryptography Extension，简称 JCE）的组件提供。

JCE 已经成为 Java 平台的一部分很长时间了。最初，由于美国对加密技术的出口限制，JCE 并未直接包含在标准 Java 平台中。因此，最强的加密算法并未包含在标准 Java 中。美国境内的公司可以单独获取这些更强的加密算法，而世界其他地区只能使用较弱的算法（或自行实现加密算法并接入 JCE）。

如今（2017 年以后），美国的加密出口管制已大幅放宽，因此全球大多数地区都可以通过 Java JCE 使用国际通用的加密标准。

Java 加密架构（Java Cryptography Architecture, JCA）

Java 加密架构（JCA）是 Java 加密 API 的内部设计名称。

JCA 围绕一些核心的通用类和接口构建。这些接口背后的实际功能由提供者（Provider）实现。例如，你可以使用 Cipher 类来加密和解密数据，但具体的加密算法实现取决于所使用的提供者。

你也可以实现并插入自己的提供者，但应谨慎操作。正确地实现无安全漏洞的加密算法非常困难！除非你清楚自己在做什么，否则最好使用 Java 内置的提供者，或者使用像 Bouncy Castle 这样广受认可的第三方提供者。

核心类和接口

Java 加密 API 分布在以下 Java 包中：

  • java.security
  • java.security.cert
  • java.security.spec
  • java.security.interfaces
  • javax.crypto
  • javax.crypto.spec
  • javax.crypto.interfaces

这些包中的核心类和接口包括：

  • Provider
  • SecureRandom
  • Cipher
  • MessageDigest
  • Signature
  • Mac
  • AlgorithmParameters
  • AlgorithmParameterGenerator
  • KeyFactory
  • SecretKeyFactory
  • KeyPairGenerator
  • KeyGenerator
  • KeyAgreement
  • KeyStore
  • CertificateFactory
  • CertPathBuilder
  • CertPathValidator
  • CertStore

本教程后续部分将详细介绍其中最常用的类。

提供者（Provider）

Provider（java.security.Provider）类是 Java 加密 API 中的核心类。要使用 Java 加密 API，你需要设置一个 Provider。Java SDK 自带一个默认的加密提供者。如果你没有显式设置提供者，则会使用 Java SDK 的默认提供者。然而，该默认提供者可能不支持你所需的加密算法，因此你可能需要设置自己的提供者。

最流行的 Java 加密提供者之一是 Bouncy Castle。下面是一个设置 BouncyCastleProvider 的示例：

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import java.security.Security;

public class ProviderExample {
    public static void main(String[] args) {
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    }
}

Cipher（密码器）

Cipher（javax.crypto.Cipher）类代表一种加密算法。Cipher 可用于加密和解密数据。

创建 Cipher 实例的方式如下：

Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");

此示例创建了一个使用 AES 加密算法的 Cipher 实例。

Cipher.getInstance(...) 方法接收一个字符串，用于指定要使用的加密算法及其配置。上例中：

  • AES 是加密算法；
  • CBC 是 AES 的工作模式；
  • PKCS5Padding 指定如何处理最后一个不足块大小的数据（如 64 或 128 位）。

注：具体含义属于通用加密知识范畴，不在本 Java API 教程范围内。

初始化 Cipher

在使用 Cipher 实例前，必须先调用其 init() 方法进行初始化。init() 接收两个参数：

  1. 加密/解密模式（Cipher.ENCRYPT_MODE 或 Cipher.DECRYPT_MODE）
  2. 密钥

示例（加密模式）：

byte[] keyBytes = new byte[]{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15};
String algorithm = "RawBytes";
SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(keyBytes, algorithm);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);

⚠️ 注意：上述硬编码密钥的方式极不安全，仅用于演示。实际应用中应使用更安全的密钥生成方式（见下文）。

解密模式初始化：

cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);

加密或解密数据

初始化完成后，可调用 update() 或 doFinal() 方法进行加解密：

  • update()：用于处理大数据块的一部分；
  • doFinal()：用于处理最后一部分，或一次性处理完整数据。

加密示例：

byte[] plainText = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz".getBytes("UTF-8");
byte[] cipherText = cipher.doFinal(plainText);

解密时，将密文传入 doFinal() 即可。

密钥（Keys）

加密/解密需要密钥，主要有两类：

  • 对称密钥（Symmetric keys）：加密和解密使用同一密钥（如 AES）。
  • 非对称密钥（Asymmetric keys）：使用公钥加密、私钥解密（如 RSA、DSA）。

通信双方需通过密钥交换（key exchange）机制安全地共享密钥。

密钥安全性

密钥应难以猜测。避免使用简单或可预测的值（如上例中的连续字节）。理想情况下，密钥应由强随机源生成，且长度足够（如 AES-256）。

生成对称密钥

使用 KeyGenerator 生成安全的对称密钥：

KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
int keyBitSize = 256;
keyGenerator.init(keyBitSize, secureRandom);
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

// 使用生成的密钥
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);

生成非对称密钥对

使用 KeyPairGenerator 生成公私钥对：

SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("DSA");
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();

密钥库（KeyStore）

KeyStore（java.security.KeyStore）是一个可存储以下类型密钥的数据库：

  • 私钥（Private keys）
  • 公钥 + 证书（Public keys + certificates）
  • 对称密钥（Secret keys）

证书用于验证公钥持有者的身份，通常由可信机构数字签名。

Keytool 工具

Keytool 是 Java 自带的命令行工具，用于管理 KeyStore 文件，支持：

  • 生成密钥对
  • 导出/导入证书
  • 管理密钥库内容

消息摘要（MessageDigest）

如何确保接收到的加密数据未被篡改？常用方法是：

  1. 发送方计算原始数据的消息摘要（哈希值）；
  2. 将数据和摘要一起加密发送；
  3. 接收方解密后，重新计算摘要并与收到的摘要比对。

若一致，则数据极大概率未被修改（非 100% 绝对，但实践中足够可靠）。

使用 MessageDigest 计算摘要：

MessageDigest messageDigest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");

// 方式一：分多次更新
byte[] data1 = "0123456789".getBytes("UTF-8");
byte[] data2 = "abcdefghijklmnopqrstuvxyz".getBytes("UTF-8");
messageDigest.update(data1);
messageDigest.update(data2);
byte[] digest = messageDigest.digest();

// 方式二：一次性计算
byte[] data = "0123456789".getBytes("UTF-8");
byte[] digest = messageDigest.digest(data);

MAC（消息认证码）

Mac（Message Authentication Code）类似于消息摘要，但使用密钥对摘要进行加密，只有拥有密钥的一方才能验证数据完整性，安全性更高。

使用示例：

// 创建 Mac 实例
Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");

// 初始化密钥（同样不应硬编码！）
byte[] keyBytes = new byte[]{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15};
SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(keyBytes, "RawBytes");
mac.init(key);

// 计算 MAC
byte[] data = "abcdefghijklmnopqrstuvxyz".getBytes("UTF-8");
byte[] macBytes = mac.doFinal(data);

数字签名（Signature）

Signature 类用于对数据进行数字签名。签名过程：

  1. 对数据计算消息摘要；
  2. 用私钥加密该摘要 → 得到数字签名。

验证过程：

  1. 用公钥解密签名得到原始摘要；
  2. 对收到的数据重新计算摘要；
  3. 比对两个摘要是否一致。

签名数据

Signature signature = Signature.getInstance("SHA256WithDSA");
signature.initSign(keyPair.getPrivate(), secureRandom);

byte[] data = "abcdefghijklmnopqrstuvxyz".getBytes("UTF-8");
signature.update(data);
byte[] digitalSignature = signature.sign();

验证签名

Signature signature2 = Signature.getInstance("SHA256WithDSA");
signature2.initVerify(keyPair.getPublic());
signature2.update(data);
boolean verified = signature2.verify(digitalSignature); // true 表示验证通过

完整签名与验证示例

SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("DSA");
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();

// 签名
Signature signature = Signature.getInstance("SHA256WithDSA");
signature.initSign(keyPair.getPrivate(), secureRandom);
byte[] data = "abcdefghijklmnopqrstuvxyz".getBytes("UTF-8");
signature.update(data);
byte[] digitalSignature = signature.sign();

// 验证
Signature signature2 = Signature.getInstance("SHA256WithDSA");
signature2.initVerify(keyPair.getPublic());
signature2.update(data);
boolean verified = signature2.verify(digitalSignature);

System.out.println("verified = " + verified); // 输出: verified = true