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前端CryptoJS和Java后端数据互相加解密(AES)

2023-02-22 2134
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本文涉及的产品
密钥管理服务KMS，1000个密钥，100个凭据，1个月
简介： 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。

目录

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。

11.png


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。

12.png

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

13.png

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。


14.png

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

文章标签：
GPU云服务器
密钥管理服务
Java
JavaScript
前端开发
测试技术
编解码
数据安全/隐私保护
安全
算法
关键词：
前端后端
Java数据
前端数据
Java后端
后端数据
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