面试题：Java网络编程中抵御中间人攻击的数据加密策略优化

Question

在Java网络编程过程中，面对中间人攻击对数据加密造成的威胁，例如攻击者可能截获并篡改加密密钥或加密数据。请提出一套完整的策略来优化数据加密机制以抵御此类攻击，包括但不限于密钥交换协议的改进、数字签名的应用以及如何验证通信双方身份的完整性，详细描述每个环节的实现原理和关键代码片段。

Answer 1

1. 密钥交换协议改进 - 使用 Diffie - Hellman 密钥交换

• 实现原理：Diffie - Hellman 密钥交换允许双方在不安全的通信信道上协商出一个共享密钥，而无需事先共享秘密信息。其基于离散对数问题的数学原理，攻击者很难从公开交换的信息中计算出共享密钥。
  • 双方（例如 A 和 B）先商定两个公开参数：一个大素数 p 和一个 p 的原根 g。
  • A 选择一个秘密整数 a，计算 A = g^a mod p 并发送给 B。
  • B 选择一个秘密整数 b，计算 B = g^b mod p 并发送给 A。
  • A 计算共享密钥 K = B^a mod p，B 计算共享密钥 K = A^b mod p，由于数学性质，二者计算出的 K 相同。
• 关键代码片段：

import java.math.BigInteger;
import java.security.SecureRandom;

public class DiffieHellman {
    private static final BigInteger ONE = BigInteger.ONE;
    private static final SecureRandom random = new SecureRandom();

    private BigInteger p; // 大素数
    private BigInteger g; // 原根
    private BigInteger privateKey;
    private BigInteger publicKey;

    public DiffieHellman(int bitLength) {
        p = BigInteger.probablePrime(bitLength, random);
        g = findGenerator(p);
        privateKey = new BigInteger(bitLength, random);
        publicKey = g.modPow(privateKey, p);
    }

    private BigInteger findGenerator(BigInteger p) {
        BigInteger phi = p.subtract(ONE);
        BigInteger fact = phi;
        BigInteger a = BigInteger.TWO;
        while (a.compareTo(phi) < 0) {
            if (phi.gcd(a).equals(ONE)) {
                boolean isGenerator = true;
                for (BigInteger divisor : fact.divisors()) {
                    if (a.modPow(phi.divide(divisor), p).equals(ONE)) {
                        isGenerator = false;
                        break;
                    }
                }
                if (isGenerator) {
                    return a;
                }
            }
            a = a.add(ONE);
        }
        return null;
    }

    public BigInteger calculateSharedKey(BigInteger otherPublicKey) {
        return otherPublicKey.modPow(privateKey, p);
    }
}

2. 数字签名的应用

• 实现原理：发送方使用自己的私钥对数据的哈希值进行加密，生成数字签名。接收方使用发送方的公钥对数字签名进行解密，得到哈希值，并对接收的数据重新计算哈希值，对比二者是否一致，以验证数据的完整性和发送方的身份。
  • 发送方：
    • 计算数据 data 的哈希值，例如使用 SHA - 256 算法：MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256"); byte[] hash = digest.digest(data);
    • 使用私钥对哈希值进行加密，例如使用 RSA 算法：Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA"); cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey); byte[] signature = cipher.doFinal(hash);
  • 接收方：
    • 使用发送方的公钥对数字签名进行解密：Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA"); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey); byte[] decryptedHash = cipher.doFinal(signature);
    • 对接收的数据重新计算哈希值：MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256"); byte[] receivedHash = digest.digest(receivedData);
    • 对比解密后的哈希值和重新计算的哈希值是否一致。
• 关键代码片段：

import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.Signature;

public class DigitalSignatureExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        keyPairGenerator.initialize(2048);
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();

        String data = "Hello, World!";
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA");
        signature.initSign(privateKey);
        signature.update(data.getBytes());
        byte[] signedData = signature.sign();

        Signature verifier = Signature.getInstance("SHA256withRSA");
        verifier.initVerify(publicKey);
        verifier.update(data.getBytes());
        boolean isValid = verifier.verify(signedData);
        System.out.println("Signature is valid: " + isValid);
    }
}

3. 验证通信双方身份的完整性

• 实现原理：结合数字证书和认证机构（CA）。通信双方都从可信任的 CA 处获取数字证书，证书包含公钥及相关身份信息，并由 CA 使用其私钥进行签名。
  • 发送方在通信时，将数字证书和数据一起发送给接收方。
  • 接收方首先使用 CA 的公钥验证数字证书的签名，确认证书的真实性。如果证书有效，接收方可以从证书中获取发送方的公钥，用于后续的数字签名验证和密钥交换验证等操作。
• 关键代码片段：验证数字证书签名可以使用 java.security.cert.CertificateFactory 和 java.security.cert.X509Certificate 等类，示例如下：

import java.io.FileInputStream;
import java.security.cert.CertificateFactory;
import java.security.cert.X509Certificate;

public class CertificateVerification {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CertificateFactory cf = CertificateFactory.getInstance("X.509");
        FileInputStream in = new FileInputStream("sender_certificate.crt");
        X509Certificate cert = (X509Certificate) cf.generateCertificate(in);
        // 假设已经有 CA 的公钥
        cert.verify(caPublicKey);
        System.out.println("Certificate is valid.");
    }
}

在实际应用中，还需要考虑证书链的验证等更复杂的情况，以确保整个信任体系的完整性。通过上述密钥交换协议改进、数字签名应用以及身份验证机制，可以有效抵御中间人攻击对数据加密造成的威胁。