Java 非对称加密算法 DH 实现详解

什么是 DH 算法

DH（Diffie-Hellman）算法是一种基于数学问题的密钥交换协议，旨在让通信双方在不将真正的密钥送出的情况下，各自生成具有相同密钥的方法。DH 算法主要用于加密通信和加密存储，其最大的优点在于，即使密文被截获，攻击者也无法破解密文，从而保证通信安全性。

DH 算法详解

密钥交换流程

DH 算法的密钥交换流程可以分为以下几个步骤：

1. 双方事先相互达成一个公开的“交换规则”，本质上是一种固定的数学公式；
2. 双方各自生成不同的私有密钥，并根据公开规则及私钥生成相应的公开密钥；
3. 双方互相交换公开密钥；
4. 根据公开规则和私有密钥，分别计算出对方的对称密钥；
5. 双方根据对称密钥，进行后续的加密通信；

DH 算法的实现

在 Java 中，DH 算法的实现主要需要使用到的是 JDK 中提供的 java.security.KeyAgreement 和 javax.crypto.KeyGenerator 类。具体步骤如下：

1. 生成 DH 密钥对

```java
KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
keyPairGen.initialize(512);

KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
```

在上述代码中，我们使用 KeyPairGenerator 类生成了一个 DH 密钥对。其中，initialize 方法用于指定密钥长度，然后使用 generateKeyPair 方法生成密钥对，其中包括公钥和私钥。

1. 初始化密钥协议

```java
KeyAgreement keyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");

keyAgree.init(privateKey);
keyAgree.doPhase(recvPublicKey, true);
```

在此，我们使用 KeyAgreement 类初始化密钥协议，并指定采用 DH 算法。在初始化之后，我们通过 init() 方法将刚刚生成的私钥放入到密钥协议中。然后，我们调用 doPhase() 方法，将收到的对方公钥 recvPublicKey 传入其中。

1. 生成本地密钥

java
SecretKey secretKey = keyAgree.generateSecret("DES");

最后，我们只需要通过 generateSecret() 方法，根据约定好的加密算法类型生成出本地的对称密钥即可。

示例说明

下面，我们来实现一个简单的 DH 算法示例。

1. 服务端代码：

```java
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 生成 DH 密钥对
KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
keyPairGen.initialize(512);

   KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
   PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
   PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();

   // 输出公钥
   byte[] pubKeyEnc = publicKey.getEncoded();
   System.out.println(Base64.getEncoder().encodeToString(pubKeyEnc));

   // 接收客户端公钥
   Scanner scanner = new Scanner(System.in);
   System.out.println("请输入客户端公钥：");
   String pubKeyStr = scanner.nextLine();
   byte[] keyBytes = Base64.getDecoder().decode(pubKeyStr);
   X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);

   KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("DH");
   PublicKey recvPublicKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);

   // 初始化密钥协议
   KeyAgreement keyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
   keyAgree.init(privateKey);
   keyAgree.doPhase(recvPublicKey, true);

   // 生成本地密钥
   SecretKey secretKey = keyAgree.generateSecret("DES");

   // 输出密钥
   byte[] keyEncoded = secretKey.getEncoded();
   System.out.println("本地密钥：" + Base64.getEncoder().encodeToString(keyEncoded));

}
```

1. 客户端代码：

```java
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 生成 DH 密钥对
KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
keyPairGen.initialize(512);

   KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
   PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
   PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();

   // 输出公钥
   byte[] pubKeyEnc = publicKey.getEncoded();
   System.out.println(Base64.getEncoder().encodeToString(pubKeyEnc));

   // 接收服务端公钥
   Scanner scanner = new Scanner(System.in);
   System.out.println("请输入服务端公钥：");
   String pubKeyStr = scanner.nextLine();
   byte[] keyBytes = Base64.getDecoder().decode(pubKeyStr);
   X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);

   KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("DH");
   PublicKey recvPublicKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);

   // 初始化密钥协议
   KeyAgreement keyAgree = KeyAgreement.getInstance("DH");
   keyAgree.init(privateKey);
   keyAgree.doPhase(recvPublicKey, true);

   // 生成本地密钥
   SecretKey secretKey = keyAgree.generateSecret("DES");

   // 输出密钥
   byte[] keyEncoded = secretKey.getEncoded();
   System.out.println("本地密钥: " + Base64.getEncoder().encodeToString(keyEncoded));

}
```

上述示例实现了一个简单的 DH 算法过程。服务端和客户端产生的密钥是相同的，通过密钥交换协议，保证了安全通信。具体示例运行结果可以在 console 中看到。

总结

本文对 DH 算法进行了详细介绍，并提供了一个简单的 Java 实现示例，希望能对读者理解并应用 DH 算法提供一定的参考。