SpringBoot集成ECDH密钥互换

简介

对称加解密算法都必要一把秘钥，但是很多情况下，互联网环境不适合传输这把对称密码，有密钥泄露的风险，为了解决这个问题ECDH密钥互换应运而生
EC：Elliptic Curve——椭圆曲线，生成密钥的方法
DH：Diffie-Hellman Key Exchange——互换密钥的方法
计划

数据传输的两方服务端（Server）和客户端（Client）
服务端生成密钥对Server-Public和Servier-Private
客户端生成密钥对Client-Public和Client-Private
客户端获取服务端的公钥和客户端的私钥进行计算CaculateKey(Server-Public，Client-Private)出共享密钥ShareKey1
服务端获取客户端的公钥和服务端的私钥进行计算CaculateKey(Client-Public，Server-Private)出共享密钥ShareKey2
ShareKey1和ShareKey2必定一致，ShareKey就是两边传输数据进行AES加密时的密钥
实现

生成密钥对

后端

1.     public static ECDHKeyInfo generateKeyInfo(){
2.         ECDHKeyInfo keyInfo = new ECDHKeyInfo();
3.         try{
4.             KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("EC");
5.             ECGenParameterSpec ecSpec = new ECGenParameterSpec("secp256r1");
6.             keyPairGenerator.initialize(ecSpec, new SecureRandom());
7.             KeyPair kp = keyPairGenerator.generateKeyPair();
8.             ECPublicKey ecPublicKey = (ECPublicKey) kp.getPublic();
9.             ECPrivateKey ecPrivateKey = (ECPrivateKey) kp.getPrivate();
10.             // 获取公钥点的x和y坐标
11.             BigInteger x = ecPublicKey.getW().getAffineX();
12.             BigInteger y = ecPublicKey.getW().getAffineY();
13.             // 将x和y坐标转换为十六进制字符串
14.             String xHex = x.toString(16);
15.             String yHex = y.toString(16);
16.             String publicKey = xHex + "|" + yHex;
17.             String privateKey = Base64.getEncoder().encodeToString(ecPrivateKey.getEncoded());
18.             keyInfo.setPublicKey(publicKey);
19.             keyInfo.setPrivateKey(privateKey);
20.         }catch (Exception e){
21.             e.printStackTrace();
22.         }
23.         return keyInfo;
24.     }
25.    
26.     public static class ECDHKeyInfo{
27.         private String publicKey;
28.         private String privateKey;
30.         public String getPublicKey() {
31.             return publicKey;
32.         }
34.         public void setPublicKey(String publicKey) {
35.             this.publicKey = publicKey;
36.         }
38.         public String getPrivateKey() {
39.             return privateKey;
40.         }
42.         public void setPrivateKey(String privateKey) {
43.             this.privateKey = privateKey;
44.         }
45.     }
46.    

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前端

引入elliptic.js（https://cdn.bootcdn.net/ajax/libs/elliptic/6.5.6/elliptic.js）

1.     const EC = elliptic.ec;
2.     const ec = new EC('p256'); // P-256曲线
4.     // 生成密钥对
5.     const keyPair = ec.genKeyPair();
6.         const publicKey = keyPair.getPublic().getX().toString('hex') + "|" + keyPair.getPublic().getY().toString('hex');

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共享密钥计算

后端

1.     public static String caculateShareKey(String serverPrivateKey,String receivePublicKey){
2.         String shareKey = "";
3.         try{
4.             // 1. 后端私钥 Base64 字符串
5.             // 2. 从 Base64 恢复后端私钥
6.             ECPrivateKey privKey = loadPrivateKeyFromBase64(serverPrivateKey);
7.             // 3. 前端传递的公钥坐标 (x 和 y 坐标，假设为十六进制字符串)
8.             // 假设这是从前端接收到的公钥的 x 和 y 坐标
9.             String xHex = receivePublicKey.split("\\|")[0];  // 用前端传递的 x 坐标替换
10.             String yHex = receivePublicKey.split("\\|")[1];  // 用前端传递的 y 坐标替换
11.             // 4. 将 x 和 y 转换为 BigInteger
12.             BigInteger x = new BigInteger(xHex, 16);
13.             BigInteger y = new BigInteger(yHex, 16);
14.             // 5. 创建 ECPoint 对象 (公钥坐标)
15.             ECPoint ecPoint = new ECPoint(x, y);
16.             // 6. 获取 EC 参数（例如 secp256r1）
17.             ECParameterSpec ecSpec = getECParameterSpec();
18.             // 7. 恢复公钥
19.             ECPublicKey pubKey = recoverPublicKey(ecPoint, ecSpec);
20.             // 8. 使用 ECDH 计算共享密钥
21.             byte[] sharedSecret = calculateSharedSecret(privKey, pubKey);
22.             // 9. 打印共享密钥
23.             shareKey = bytesToHex(sharedSecret);
24.         }catch (Exception e){
25.             e.printStackTrace();
26.         }
27.         return shareKey;
28.     }
29.    
30.     // 从 Base64 加载 ECPrivateKey
31.     private static ECPrivateKey loadPrivateKeyFromBase64(String privateKeyBase64) throws Exception {
32.         byte[] decodedKey = Base64.getDecoder().decode(privateKeyBase64);
33.         PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(decodedKey);
34.         KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC");
35.         return (ECPrivateKey) keyFactory.generatePrivate(keySpec);
36.     }
37.     // 获取 EC 参数（例如 secp256r1）
38.     private static ECParameterSpec getECParameterSpec() throws Exception {
39.         // 手动指定 EC 曲线（例如 secp256r1）
40.         AlgorithmParameters params = AlgorithmParameters.getInstance("EC");
41.         params.init(new ECGenParameterSpec("secp256r1"));  // 使用标准的 P-256 曲线
42.         return params.getParameterSpec(ECParameterSpec.class);
43.     }
44.     // 恢复公钥
45.     private static ECPublicKey recoverPublicKey(ECPoint ecPoint, ECParameterSpec ecSpec) throws Exception {
46.         ECPublicKeySpec pubKeySpec = new ECPublicKeySpec(ecPoint, ecSpec);
47.         KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC");
48.         return (ECPublicKey) keyFactory.generatePublic(pubKeySpec);
49.     }
50.     // 使用 ECDH 计算共享密钥
51.     private static byte[] calculateSharedSecret(ECPrivateKey privKey, ECPublicKey pubKey) throws Exception {
52.         KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance("ECDH");
53.         keyAgreement.init(privKey);
54.         keyAgreement.doPhase(pubKey, true);
55.         return keyAgreement.generateSecret();
56.     }
58.     // 将字节数组转换为十六进制字符串
59.     private static String bytesToHex(byte[] bytes) {
60.         StringBuilder hexString = new StringBuilder();
61.         for (byte b : bytes) {
62.             hexString.append(String.format("%02x", b));
63.         }
64.         return hexString.toString();
65.     }   

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前端

1.     var keyArray = serverPublicPointKey.split("|")
2.     const otherKey = ec.keyFromPublic({ x: keyArray[0], y: keyArray[1] }, 'hex');
3.     const sharedSecret = keyPair.derive(otherKey.getPublic());

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AES加密

后端

1.     public static String encryptData(String data,String shareKey){
2.         String result = "";
3.         try{
4.             MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
5.             byte[] aesKey = digest.digest(shareKey.getBytes());  // 获取 256 位密钥
6.             SecretKey key = new SecretKeySpec(aesKey, "AES");
7.             byte[] resultData = encrypt(data,key);
8.             result = Base64.getEncoder().encodeToString(resultData);
9.         }catch (Exception e){
10.             e.printStackTrace();
11.         }
12.         return result;
13.     }
15.     public static String decryptData(String data,String shareKey){
16.         String result = "";
17.         try{
18.             MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
19.             byte[] aesKey = digest.digest(shareKey.getBytes());  // 获取 256 位密钥
20.             SecretKey key = new SecretKeySpec(aesKey, "AES");
21.             byte[] resultData = decrypt(Base64.getDecoder().decode(data),key);
22.             result = new String(resultData);
23.         }catch (Exception e){
24.             e.printStackTrace();
25.         }
26.         return result;
27.     }
28.    
29.     private static final String KEY_ALGORITHM = "AES";
30.     private static final String CIPHER_ALGORITHM = "AES/CBC/PKCS5Padding";
31.     private static final String IV = "0102030405060708"; // 16 bytes key
33.     // 使用AES密钥加密数据
34.     private static byte[] encrypt(String plaintext, SecretKey aesKey) throws Exception {
35.         SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(aesKey.getEncoded(), KEY_ALGORITHM);
36.         IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(IV.getBytes());
37.         Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
38.         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, iv);
39.         byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());
40.         return encrypted;
41.     }
43.     // 使用AES密钥解密数据
44.     private static byte[] decrypt(byte[] encryptedData, SecretKey aesKey) throws Exception {
45.         SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(aesKey.getEncoded(), KEY_ALGORITHM);
46.         IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(IV.getBytes());
47.         Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
48.         cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, iv);
49.         byte[] original = cipher.doFinal(encryptedData);
50.         return original;
51.     }   

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前端

引入crypto-js.min.js（https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/crypto-js/4.1.1/crypto-js.min.js）

1. function encryptByECDH(message, shareKey) {
2.     const aesKey = CryptoJS.SHA256(shareKey);
3.     const key = CryptoJS.enc.Base64.parse(aesKey.toString(CryptoJS.enc.Base64));
4.     return encryptByAES(message,key)
5. }
7. function decryptByECDH(message, shareKey) {
8.     const aesKey = CryptoJS.SHA256(shareKey);
9.     const key = CryptoJS.enc.Base64.parse(aesKey.toString(CryptoJS.enc.Base64));
10.     return decryptByAES(message,key)
11. }
13. function encryptByAES(message, key) {
14.     const iv = CryptoJS.enc.Utf8.parse("0102030405060708");
15.     const encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(message, key, { iv: iv , mode: CryptoJS.mode.CBC, padding: CryptoJS.pad.Pkcs7 });
16.     return encrypted.toString();
17. }
19. function decryptByAES(message, key) {
20.     const iv = CryptoJS.enc.Utf8.parse("0102030405060708");
21.     const bytes = CryptoJS.AES.decrypt(message, key, { iv: iv, mode: CryptoJS.mode.CBC, padding: CryptoJS.pad.Pkcs7 });
22.     const originalText = bytes.toString(CryptoJS.enc.Utf8);
23.     return originalText;
24. }

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注意

• 前端生成的密钥对和后端生成的密钥对情势不一致，必要将前端的公钥拆解成坐标点到后端进行公钥还原
  
• 同理后端的公钥也要拆分成坐标点传输到前端进行计算
  
• 生成的ShareKey共享密钥为了满足AES的密钥长度要求必要进行Share256计算
  
• 前后端AES互通必要保证IV向量为同一值
  

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