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前端CryptoJS和Java后端数据互相加解密(AES)

JAVA 算法前端数据后端

2023-03-14 22:35:54 时间

一、序言

二、关于前端CryptoJS

1、CryptoJS简单介绍

2、加密和填充模式选择

3、前端AES加解密示例

(1) cryptoutils工具类

(2) 测试用例

(3) 加解密后输出内容说明

三、Java后端AES加解密

1、Java中支持的加密模式和填充说明

2、工具类CryptoUtils

3、测试用例

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。

常用的加密模式有CBC和ECB，由于CBC安全性更高，所以我们还是选用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
 * @param ivInBase64Str base64编码后的初始化向量(只有CBC模式下才支持)
 * @return base64编码后的密文
 */
export function encryptByAES(plainText, keyInBase64Str, ivInBase64Str) {
  let key = CryptoJS.enc.Base64.parse(keyInBase64Str)
  let iv = CryptoJS.enc.Base64.parse(ivInBase64Str)
  let encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(plainText, key, {
    iv: iv,
    mode: CryptoJS.mode.CBC,
    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
 * @param ivInBase64Str base64编码后的初始化向量(只有CBC模式下才支持)
 * @return 明文
 */
export function decryptByAES(cipherText, keyInBase64Str, ivInBase64Str) {
  let key = CryptoJS.enc.Base64.parse(keyInBase64Str)
  let iv = CryptoJS.enc.Base64.parse(ivInBase64Str)
  // 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, {
    iv: iv,
    mode: CryptoJS.mode.CBC,
    padding: CryptoJS.pad.Pkcs7
  })

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

(2) 测试用例

let secret = 'sQPoC/1do9BZMkg8I5c09A=='
let cipherText = encryptByAES('Hello', secret, secret)
let plainText = decryptByAES(cipherText, secret, secret)
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：3IDpt0VzxmAv10qvQRubFQ==

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。

/**
 * 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
     * @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, Algorithm.RSA_ECB_PKCS1);
    }

    public static String decryptByRSA(String privateKeyText, String ciphertext) throws Exception {
        return decryptAsymmetrically(privateKeyText, ciphertext, Algorithm.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, Algorithm.DSA, Algorithm.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, Algorithm.RSA_ECB_PKCS1, Algorithm.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, Algorithm.RSA_ECB_PKCS1, Algorithm.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, Algorithm.DSA, Algorithm.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, Algorithm.RSA_ECB_PKCS1, Algorithm.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, Algorithm.RSA_ECB_PKCS1, Algorithm.SHA256WithRSA);
    }

    /**
     * 对称加密
     * @param secretKey 密钥
     * @param iv 加密向量，只有CBC模式才支持
     * @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
     * @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>
     */
    @Data
    @NoArgsConstructor
    @AllArgsConstructor
    public static class Algorithm {

        /**
         * 以下为加密算法，加密算法transformation采用algorithm/mode/padding的形式
         */
        public static final Algorithm AES_ECB_PKCS5 = new Algorithm("AES", "AES/ECB/PKCS5Padding", 128);
        public static final Algorithm AES_CBC_PKCS5 = new Algorithm("AES", "AES/CBC/PKCS5Padding", 128);
        public static final Algorithm DES_ECB_PKCS5 = new Algorithm("DES", "DES/ECB/PKCS5Padding", 56);
        public static final Algorithm DES_CBC_PKCS5 = new Algorithm("DES", "DES/CBC/PKCS5Padding", 56);
        public static final Algorithm RSA_ECB_PKCS1 = new Algorithm("RSA", "RSA/ECB/PKCS1Padding", 1024);

        /**
         * 以下为签名算法
         */
        public static final Algorithm DSA = new Algorithm("DSA", 1024);
        public static final Algorithm SHA1WithDSA = new Algorithm("SHA256WithRSA", 1024);
        public static final Algorithm SHA1WithRSA = new Algorithm("SHA1WithRSA", 2048);
        public static final Algorithm SHA256WithRSA = new Algorithm("SHA256WithRSA", 2048);

        private String name;
        private String transformation;
        private int keySize;

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

    }

    @Data
    @NoArgsConstructor
    @AllArgsConstructor
    public static class AsymmetricKeyPair {

        private String publicKey;
        private String privateKey;
    }

}

3、测试用例

import com.universe.crypto.CryptoUtils.Algorithm;

/**
 * @author 刘亚楼
 * @date 2022/6/12
 */
public class AESDemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String key = CryptoUtils.generateSymmetricKey(Algorithm.AES_CBC_PKCS5);
        System.out.println("生成的key为：" + key);
        String cipherText = CryptoUtils.encryptSymmetrically(key, key, "Hello", Algorithm.AES_CBC_PKCS5);
        System.out.println("加密后的密文为：" + cipherText);

        String plainText = CryptoUtils.decryptSymmetrically(key, key, cipherText, Algorithm.AES_CBC_PKCS5);
        System.out.println("解密后的明文为：" + plainText);
    }
}

控制台输出如下：

生成的key为：sQPoC/1do9BZMkg8I5c09A==

加密后的密文为：3IDpt0VzxmAv10qvQRubFQ==

解密后的明文为：Hello

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