Java 加密演算法實戰指南（一）：基礎理論與訊息摘要、數位簽名實作

第 1 章：密碼學基礎知識

1.1 單鑰密碼體制（對稱加密）

加密解密使用同一把金鑰。優點：演算法簡單高效、金鑰短、速度快、破解極難。缺點：安全性仰賴金鑰保管，公開網路傳遞金鑰風險高，多用戶環境下金鑰管理複雜。代表：DES。

1.2 訊息摘要（雜湊函數）

任意長度資料產生唯一「數位指紋」（如 SHA-1 產生 20 位元組）。兩大屬性：

• 抗碰撞：兩不同訊息極難產生相同摘要。
• 單向性：難以從指定摘要反推原訊息。

代表：SHA-1（NIST）、MD5（Rivest）。

1.3 Diffie-Hellman 金鑰一致協定

允許雙方在公開管道交換資訊，協商出共享祕密金鑰。代表：指數金鑰交換協定。

1.4 非對稱加密與公開金鑰體系

1976 年 Diffie-Hellman 奠基。加密金鑰（公開金鑰）公開，解密金鑰（私鑰）獨佔。代表：RSA（Rivest、Shamir、Adleman 1977 年提出）。

1.5 數位簽名

發送者用私鑰對訊息摘要（雜湊值）執行 RSA 運算，確保不可抵賴性與完整性。接收者用發送者公鑰驗證。核心雜湊函數需滿足：輸入無長度限制、輸出固定長度、易正向計算、難反向推導、抗碰撞。代表：DSA。

第 2 章：Java 實作（JCE 提供者）

需安裝 JCE（Java Cryptography Extension），將 jce1.2.1/lib 內容複製至 $JAVA_HOME/jre/lib/ext，並將 jce1_2_1.jar、sunjce_provider.jar 加入 CLASSPATH。

2.1 訊息摘要 MD5 / SHA-1 使用範例

import java.security.*;

public class MyDigest {
    public static void main(String[] args) {
        new MyDigest().testDigest();
    }
    public void testDigest() {
        try {
            String msg = "我的測試訊息";
            // 建立 SHA-1 摘要器
            MessageDigest alga = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
            alga.update(msg.getBytes());
            byte[] digestA = alga.digest();
            System.out.println("本訊息摘要: " + bytesToHex(digestA));

            // 模擬接收端驗證
            MessageDigest algb = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
            algb.update(msg.getBytes());
            if (MessageDigest.isEqual(digestA, algb.digest())) {
                System.out.println("訊息檢查正常");
            } else {
                System.out.println("摘要不相同，資料可能被竄改");
            }
        } catch (NoSuchAlgorithmException ex) {
            System.out.println("非法摘要演算法");
        }
    }
    // 位元組陣列轉十六進位字串
    public String bytesToHex(byte[] b) {
        StringBuilder hs = new StringBuilder();
        for (int n = 0; n < b.length; n++) {
            String stmp = Integer.toHexString(b[n] & 0xFF);
            if (stmp.length() == 1) hs.append('0');
            hs.append(stmp);
            if (n < b.length - 1) hs.append(':');
        }
        return hs.toString().toUpperCase();
    }
}

關鍵 API 速查

• MessageDigest.getInstance("SHA-1" | "MD5")：取得演算法實例。
• update(byte[])：輸入資料（可分多次呼叫）。
• digest()：完成計算並回傳摘要（MD5 16 位元組、SHA-1 20 位元組）。
• reset()：重置可重用。
• isEqual(byte[], byte[])：恆定時間比較兩摘要（防時序攻擊）。

2.2 數位簽名 DSA 實作起步

// 1. 產生金鑰對
KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("DSA");
SecureRandom random = new SecureRandom();
keyGen.initialize(1024, random); // 1024 bits
KeyPair pair = keyGen.generateKeyPair();
PrivateKey privateKey = pair.getPrivate();
PublicKey publicKey = pair.getPublic();

// 2. 簽名
Signature dsa = Signature.getInstance("SHA1withDSA");
dsa.initSign(privateKey);
dsa.update(dataBytes);
byte[] signature = dsa.sign();

// 3. 驗證
Signature dsaVerify = Signature.getInstance("SHA1withDSA");
dsaVerify.initVerify(publicKey);
dsaVerify.update(dataBytes);
boolean valid = dsaVerify.verify(signature);

金鑰對生成後需妥善儲存（私鑰加密儲存、公鑰分發），後續章節將深入金鑰管理、憑證與 SSL/TLS 整合。