在网络通讯中采用混合方式对信息进行加密

按：下面的文字涉及早已在工程中广泛采用的混合加密方式，对此熟知者就不用往下看了，以免浪费时间。

我们知道，现代加密方式有两大类：一类是对称加密方式，其优点是加密速度快，缺点是密钥不便于传递，其中典型例子是AES；一类是非对称加密方式，优点是交换钥匙方便，缺点是加密时间长。在实际应用，我们可以取其所长，弃其所短，这就是混合加密方式，有的场合也成为Hybrid方式。

具体来说混合加密方式的工作过程大体是这样：首先，客户端将明文用本地的AES钥匙加密，然后从服务器端得到服务器端的RSA公钥，用它来对本地的AES钥匙加密，然后把两端密文拼合在一起送给服务器端；服务器端得到密文后，将其拆分成密钥文和密文两段，然后，用本地的RSA私钥对密钥文进行解密，得到加密密文的AES钥匙，然后用AES钥匙对密文解密，得到明文。在此过程中，对明文加密和对密文解密都采用了对称加密解密方式，速度快，且都在服务器客户机的一侧进行，没有通过网络传输，安全性高；而网络传输的是服务器的RSA公钥和经其加密的AES钥匙，即使被截获也没有什么好担心的。如果要双向传递则把这个过程反过来就可以了。

以上过程的示意UML SEQUENCE图如下：



下面用代码来辅助说明一下。

客户端进行加密并传输密文到服务器端的代码，其中，服务器端的RSA公钥已经用别的方法得到了，下面serverPublicKey变量就存储了它：

        Socket s=new Socket("127.0.0.1",8888);
        
        InputStream  inStram=s.getInputStream();
        OutputStream outStream=s.getOutputStream();
        
        // 输出
        PrintWriter out=new PrintWriter(outStream,true);
        
        // 待加密的明文
        StringBuilder sb1=new StringBuilder();
        sb1.append("<request>");
        sb1.append("<command>register</command>");
        sb1.append("<username>何杨</username>");
        sb1.append("<password>123456</password>");
        sb1.append("</request>");
        String plainText=sb1.toString();
        
        // 对明文进行AES加密
        byte[] aesArr=aesCoder.getEncryptByteArray(plainText); // 对明文进行AES加密
        String cipherText=Base64.encodeBase64String(aesArr);// 得到AES加密后的密文
        
        // 使用RSA对AES密钥进行加密
        String key=aesCoder.getAesKey();// 取得AES的密钥
        byte[] rsaArr=rsaCoder.getEncryptArray(key, serverPublicKey);
        String encryptedKey=Base64.encodeBase64String(rsaArr);
        
        // 在发出的密文前附带经服务器RSA公钥加密的AES密钥
        String request="<key>"+encryptedKey+"</key>"+cipherText;
        
        out.print(request);
        out.flush();
        s.shutdownOutput();// 输出结束

从上面这段代码可以看出，想发送到服务器端的明文是：

<request><command>register</command><username>何杨</username><password>123456</password></request>

通过这段代码的处理后，最终发送到服务器端的密文是，

<key>1B2FM07HS4iB+vjeehb/RqHTnEXAr1cj/CR6z+SDPI58ZG5TK54iEoi8cvdIL0oj60X7axrAL3YO
b6PMzQxKHzipSYw3ishH/3KxoYF8bkQGn2PkMNsn+xL1Gz6XgJcQ+B700hYvVT2FFPfelVz3VNlB
KhwVIE6h8LyD4w/SxhE=
</key>J4TsMoB3l8Cy91a9v6O0TADXZvKEkDPZ3E5noeu2dImfdsM55urhEY7lFAAsXm0AB4/jUL1h1lNP
cafz9srORh7h8NCb4760XnrBA5Q2JQrqwr1TGsB3oGq2Ha+FOLoFcI2Ab/wjEiAhe/kB6ZTgTA==

其中key节点的内容是加密的AES密钥，后面是AES加密后的密文。如果这段文字在网络上被截获，截获者可能会猜测出key节点是密钥，后半段是密文，但密钥部分是被服务器的公钥进行RSA加密的，只有用服务器的私钥来解密；而密钥文解不出来的话，截获者对后端密文也是无能为力。这就可以让人放心了，如果服务器端没有潜伏一个余则成和截获者里应外合的话。

服务器端的处理代码：

        String cipheredAesKey="";// 经服务器RSA公钥加密的客户端AES钥匙密文
        String cipherText="";// 经客户端AES加密的密文
        
        // 用正则表达式得到密钥文和密文
        String regex="<key>(.+)</key>(.+)";
        Pattern pattern=Pattern.compile(regex);
        Matcher matcher=pattern.matcher(request);
            
        while(matcher.find()){
            cipheredAesKey=matcher.group(1);
            cipherText=matcher.group(2);
            break;
        }

        // 得到经过服务器RSA私钥解密后的AES密钥
        String plainAesKey="";
        try {
            byte[] cipheredAesKeyArr=Base64.decodeBase64(cipheredAesKey);
            plainAesKey=model.getRsaCoder().getDecryptString(cipheredAesKeyArr);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
        
        // 使用AES密钥解密出明文
        byte[] cipherTextArr=Base64.decodeBase64(cipherText);
        String plainText=model.getAesCoder().getDecryptString(cipherTextArr, plainAesKey);

这段代码的输入是：

<key>P9SQ2DtWqrdH3hJbQNWRb51OEs9c7KpsgjRg0yPT5LZJoqJBeYmq3r/1T050n136OelvTh+XtaZaXbCJAvfnF4fvtAKdXqPp+lzUNgPYk8R0OaVDUIi8pNi1rb/+GvtY2ZucFYL1BOwO8ARwvXf8f52Cl+Vdu5TdinXVjmwSPZY=</key>u0ube9sy7bsIy8aaUSJofoswY+R3WXD8yJbOzEZWiDniyXNNyrHNiygfRHj3TKwVQXRck/OVPXptMvUjCVqmg118TN0tc4sKoOKHaSmUtvGC2WW3K5anxlFzdUIZMIhvpDF1nWoaTXvEJ1nOuwhIig==

它和客户端传过来的内容是一样的。

而经过拆分和解密后，AES密钥是：

83aeacfa1b59eb2dc557a9f3d5df6af83ee9a1646652f1d2b55ea6ec76a95bde

用得到的AES密钥解密后，最终得到的明文部分是：

<request><command>register</command><username>何杨</username><password>123456</password></request>

到这里，密文的还原工作就完成了。如果服务器端要向客户端发回处理后的结果，把上述过程再做一遍就可以了，注意一点，客户端要把自己的RSA公钥发过来，也就是说传递的文本中还要增加一个节点，这样服务器端就有了客户端的RSA公钥对服务器端的AES钥匙进行加密。

这种方式看似比纯RSA方式和AES方式都复杂了一点，但考虑到网络传输的安全性和速度，多写一些代码是完全值得的。

上文中用到的AESSecurityCoder类代码如下：

package com.heyang.common.code;

import java.security.Key;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

import org.apache.commons.codec.binary.Hex;


/**
 * AES加密解密类
 * 说明：
 * 作者：何杨([e-mail])
 * 创建时间：2010-12-25 下午12:19:12
 * 修改时间：2010-12-25 下午12:19:12
 */
public class AESSecurityCoder{
    // 加密方法
    private static final String Algorithm="AES";
    
    // 进行加密解密的密钥
    private String aesKey="";
    
    /**
     * 构造函数
     * @throws NoSuchAlgorithmException 
     */
    public AESSecurityCoder() throws NoSuchAlgorithmException{
        KeyGenerator kg=KeyGenerator.getInstance(Algorithm);
        kg.init(256);
        SecretKey sk=kg.generateKey();
        byte[] arr=sk.getEncoded();
        
        aesKey=new String(Hex.encodeHex(arr));
    }
    
    /**
     * 取得解密后的字符串
     * 
     * 说明：
     * @param encryptArr
     * @return
     * 创建时间：2010-12-1 下午03:33:31
     */
    public String getDecryptString(byte[] encryptArr){
        try{
            Cipher cp=Cipher.getInstance(Algorithm);
            cp.init(Cipher.DECRYPT_MODE, getKey());
            byte[] arr=cp.doFinal(encryptArr);
            
            return new String(arr);
        }
        catch(Exception ex){
            System.out.println("无法进行解密，原因是"+ex.getMessage());
            return null;
        }
    }
    
    /**
     * 传入密钥，得到解密后的字符串
     * 
     * 说明：
     * @param encryptArr
     * @param aesKey
     * @return
     * 创建时间：2010-12-25 下午01:55:42
     */
    public String getDecryptString(byte[] encryptArr,String aesKeyIn){
        try{
            Cipher cp=Cipher.getInstance(Algorithm);
            
            byte[] arr1=Hex.decodeHex(aesKeyIn.toCharArray());
            cp.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(arr1,Algorithm));
            byte[] arr=cp.doFinal(encryptArr);
            
            return new String(arr);
        }
        catch(Exception ex){
            System.out.println("无法进行解密，原因是"+ex.getMessage());
            return null;
        }
    }
    
    /**
     * 取得加密后的字节数组
     * 
     * 说明：
     * @param originalString
     * @return
     * 创建时间：2010-12-1 下午03:33:49
     */
    public byte[] getEncryptByteArray(String originalString){
        try{
            Cipher cp=Cipher.getInstance(Algorithm);
            cp.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, getKey());
            return cp.doFinal(originalString.getBytes());
        }
        catch(Exception ex){
            System.out.println("无法进行加密，原因是"+ex.getMessage());
            return null;
        }
    }
    
    /**
     * 取得密钥
     * 
     * 说明：
     * @return
     * @throws Exception
     * 创建时间：2010-12-1 下午03:33:17
     */
    private Key getKey() throws Exception{
        byte[] arr=Hex.decodeHex(aesKey.toCharArray());
        
        return new SecretKeySpec(arr,Algorithm);
    }

    /**
     * 取得AES加密钥匙
     * 
     * 说明：
     * @return
     * 创建时间：2010-12-25 下午12:27:16
     */
    public String getAesKey() {
        return aesKey;
    }
}

上文中用到的RSASecurityCoder类代码如下：

package com.heyang.common.code;

import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

import javax.crypto.Cipher;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;

/**
 * RSA加密解密类
 * 说明：
 * 作者：何杨([e-mail])
 * 创建时间：2010-12-1 下午06:14:38
 * 修改时间：2010-12-1 下午06:14:38
 */
public class RSASecurityCoder{
    // 非对称加密密钥算法
    private static final String Algorithm="RSA";
    
    // 密钥长度，用来初始化
    private static final int Key_Size=1024;
    
    // 公钥
    private byte[] publicKey;
    
    // 私钥
    private byte[] privateKey;
    
    /**
     * 构造函数，在其中生成公钥和私钥
     * @throws Exception
     */
    public RSASecurityCoder() throws Exception{
        // 得到密钥对生成器
        KeyPairGenerator kpg=KeyPairGenerator.getInstance(Algorithm);
        kpg.initialize(Key_Size);
        
        // 得到密钥对
        KeyPair kp=kpg.generateKeyPair();
        
        // 得到公钥
        RSAPublicKey keyPublic=(RSAPublicKey)kp.getPublic();
        publicKey=keyPublic.getEncoded();
        
        // 得到私钥
        RSAPrivateKey keyPrivate=(RSAPrivateKey)kp.getPrivate();
        privateKey=keyPrivate.getEncoded();
    }
    
    /**
     * 用公钥对字符串进行加密
     * 
     * 说明：
     * @param originalString
     * @param publicKeyArray
     * @return
     * @throws Exception
     * 创建时间：2010-12-1 下午06:29:51
     */
    public byte[] getEncryptArray(String originalString,byte[] publicKeyArray) throws Exception{
        // 得到公钥
        X509EncodedKeySpec keySpec=new X509EncodedKeySpec(publicKeyArray);
        KeyFactory kf=KeyFactory.getInstance(Algorithm);
        PublicKey keyPublic=kf.generatePublic(keySpec);
        
        // 加密数据
        Cipher cp=Cipher.getInstance(Algorithm);
        cp.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keyPublic);
        return cp.doFinal(originalString.getBytes());
    }
    
    
    /**
     * 使用私钥进行解密
     * 
     * 说明：
     * @param encryptedDataArray
     * @return
     * @throws Exception
     * 创建时间：2010-12-1 下午06:35:28
     */
    public String getDecryptString(byte[] encryptedDataArray) throws Exception{
        // 得到私钥
        PKCS8EncodedKeySpec keySpec=new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
        KeyFactory kf=KeyFactory.getInstance(Algorithm);
        PrivateKey keyPrivate=kf.generatePrivate(keySpec);
        
        // 解密数据
        Cipher cp=Cipher.getInstance(Algorithm);
        cp.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keyPrivate);
        byte[] arr=cp.doFinal(encryptedDataArray);
        
        // 得到解密后的字符串
        return new String(arr);
    }

    /**
     * 取得数组形式的公钥
     * 
     * 说明：
     * @return
     * 创建时间：2010-12-25 上午07:50:04
     */
    public byte[] getPublicKey() {
        return publicKey;
    }
    
    /**
     * 取得字符串形式的公钥
     * 
     * 说明：
     * @return
     * 创建时间：2010-12-25 上午07:51:11
     */
    public String getPublicKeyString() {
        return  Base64.encodeBase64String(getPublicKey());
    }
    
    public static void main(String[] arr) throws Exception{
        String str="你好，世界！ Hello,world!";
        System.out.println("准备用公钥加密的字符串为："+str);
        
        // 用公钥加密
        RSASecurityCoder rsaCoder=new RSASecurityCoder();
        byte[] publicKey=rsaCoder.getPublicKey();        
        byte[] encryptArray=rsaCoder.getEncryptArray(str, publicKey);
        
        System.out.print("用公钥加密后的结果为:");
        for(byte b:encryptArray){
            System.out.print(b);
        }
        System.out.println();
        
        // 用私钥解密
        String str1=rsaCoder.getDecryptString(encryptArray);
        System.out.println("用私钥解密后的字符串为："+str1);
    }
}

好了，感谢您看到这里，希望它没有太多耽误您的宝贵时间。