JOSE-Json Web Encryption

JOSE-Json Web Encryption (RSA1_5/A128GCM 算法)

代码与参考/

  代码：
    https://github.com/viakiba/viakiba/tree/master/josedemo
  参考：
    https://tools.ietf.org/html/rfc7516
    https://bitbucket.org/b_c/jose4j/wiki/JWE%20Examples
    https://bitbucket.org/b_c/jose4j/wiki/JWE%20Examples

背景

最近项目组在做VISA信用卡支付相关的业务。在对接VISA系统时，卡信息加密数据的格式按照Json Web Encryption 规范 ,完整性控制按照 JSON Web Signature 规范也就是签名数据格式规范。在实现过程中由于不熟悉这个规范而且国内也很少提及这个规范，在此间遇到很多问题。借此机会，把我知道的这个实现流程做一个文档，以供大家参考。希望对大家有所帮助。

JWE (Json Web Encryption) 是一种以高度可序列化的机器可读格式确保信息加密的方法。

JWE (Json Web Encryption) 保证信息的安全不被截取读取。不具备完整性校验的属性，完整性校验实现比如 Json Web Signature.

JWE 算法列表

JWE Key Encryption and Key Agreement （如何对key进行加密（key是用来加密明文信息的））

Key Management Algorithm	JWE “alg” Parameter Value
Direct encryption with a shared symmetric key	dir
RSAES-PKCS1-V1_5 key encryption	RSA1_5
RSAES using OAEP key encryption	RSA-OAEP and RSA-OAEP-256¶
AES key wrap	A128KW, A192KW* and A256KW*
AES GCM key encryption	A128GCMKW‡, A192GCMKW‡ and A256GCMKW‡
Elliptic Curve Diffie-Hellman Ephemeral Static key agreement using Concat KDF	ECDH-ES
Elliptic Curve Diffie-Hellman Ephemeral Static key agreement using Concat KDF with AES key wrap	ECDH-ES+A128KW, ECDH-ES+A192KW, ECDH-ES+A256KW
PBES2 with HMAC SHA-2 and AES key wrapping	PBES2-HS256+A128KW, PBES2-HS384+A192KW* and PBES2-HS512+A256KW*

JWE Content Encryption （加密明文信息的方案）

Content Encryption Algorithm	JWE “enc” Parameter Value
Authenticated encryption with AES-CBC and HMAC-SHA2	A128CBC-HS256, A192CBC-HS384* and A256CBC-HS512*
Authenticated encryption with Advanced Encryption Standard (AES) in Galois/Counter Mode (GCM)	A128GCM‡, A192GCM‡ and A256GCM‡

RSA1_5/A128GCM 算法

接下来的JWE示例，Key加密管理算法采用 RSA1_5 ,明文的加密算法采用 A128GCM 算法。（A128GCM 是对称加密，使用随机处理的 key对明文加密，然后使用RSA公钥对 key进行加密。这样做的原因是，非对称加密，消耗的计算资源比较大，所以使用它对key进行加密会节约资源，使用key进行对称加密比较节省计算资源。这样一来，即保证了明文信息的安全，有节约了计算资源。

用JOSE库实现

公钥信息是内置到客户端的，所以不会牵涉网络中公钥的传递。

PUBLIC_MODULUS = "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";
PUBLIC_EXPONENT = "10001";
PRIVATE_EXPONENT = "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";

加密流程

JWE

依赖

<dependency>
    <groupId>org.bitbucket.b_c</groupId>
    <artifactId>jose4j</artifactId>
    <version>0.6.4</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>com.nimbusds</groupId>
    <artifactId>nimbus-jose-jwt</artifactId>
    <version>4.34.2</version>
</dependency>

实现代码

JOSE 库加密

RSA1_5 需要的公钥建议是 2048 位。 A128GCM 需要的 key (CEK conten encryption key 可以是 16 byte, IV 可以是 12 byte 都是随机)

String message = "这是RSA1_5加密算法的jwe示例。";
JsonWebEncryption senderJwe = new JsonWebEncryption();
//设置明文
senderJwe.setPlaintext(message);
//指定KEY加密算法
senderJwe.setAlgorithmHeaderValue(KeyManagementAlgorithmIdentifiers.RSA1_5);
//指定 RSA1_5 对应的 publicKey
RSAPublicKeySpec rsaPublicKeySpec = new RSAPublicKeySpec(new BigInteger(JoseConstants.PUBLIC_MODULUS,JoseConstants.RSA_KEY_RADIX),
        new BigInteger(JoseConstants.PUBLIC_EXPONENT,JoseConstants.RSA_KEY_RADIX));
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(rsaPublicKeySpec);
senderJwe.setKey(publicKey);
//指定对明文的加密算法  AES_128_GCM 决定了参数 会存在 key / iv / aad (key/iv 可以随机生成 我这里直接写死成 0填充 byte[] , aad 是由 header 决定的)
senderJwe.setEncryptionMethodHeaderParameter(ContentEncryptionAlgorithmIdentifiers.AES_128_GCM);
//指定加密 plainText 所需的 cek 为了方便 自定义为32byte的0 原则上随机 可以使用 SecureRandom 的 SHA1PRNG 算法随机
senderJwe.setContentEncryptionKey(new byte[32]);
//指定加密 plainText 所需的 salt 为了方便 自定义为12byte的0 随机建议同上
senderJwe.setIv(new byte[12]);
//设置自定义的 header
senderJwe.setHeader("headerCustom","hhh");
String compactSerialization = senderJwe.getCompactSerialization();
System.out.println("加密后的结果：" + compactSerialization);

JOSE 库解密

// 解密对象
JsonWebEncryption receiverJwe = new JsonWebEncryption();
// 设置算法对应的私钥 key
RSAPrivateKeySpec rsaPrivateKeySpec = new RSAPrivateKeySpec(new BigInteger(JoseConstants.PUBLIC_MODULUS,JoseConstants.RSA_KEY_RADIX),
        new BigInteger(JoseConstants.PRIVATE_EXPONENT,JoseConstants.RSA_KEY_RADIX));
PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(rsaPrivateKeySpec);
receiverJwe.setKey(privateKey);
// 设置密文 密文里免包含了加密的算法以及参数 只需设置私钥即可。
receiverJwe.setCompactSerialization(compactSerialization);
// 得到明文
String plaintext = receiverJwe.getPlaintextString();
System.out.println("解密结果是: " + plaintext);

分步验证

String[] split = compactSerialization.split("\\.");

String headerSerializa = split[0];
String encCek = split[1];
String encIv = split[2];
String encText = split[3];
String encTag = split[4];

//先解密得到cek
byte[] cek = cekDecryption(Base64.decode(encCek), JoseConstants.RSA_KEY_RADIX, JoseConstants.PUBLIC_MODULUS, JoseConstants.PRIVATE_EXPONENT);
//
System.out.println(new String(Base64.decode(headerSerializa)));
//组装密文
byte[] encTextByte = Base64.decode(encText);
byte[] encTagByte = Base64.decode(encTag);

byte[] encTextAll = new byte[encTextByte.length + encTagByte.length];
System.arraycopy(encTextByte,0,encTextAll,0,encTextByte.length);
System.arraycopy(encTagByte,0,encTextAll,encTextByte.length,encTagByte.length);
byte[] aad = headerSerializa.getBytes("US-ASCII");

byte[] s = decryptUseCekAndSalt(cek,Base64.decode(encIv),encTextAll, aad,split[0]);
System.out.println(new String(s,JoseConstants.UTF_8));

cekDecryption 方法（key的解密非对称）

/**
 *  解密cek 使用公钥modulus 与 私钥 exponent RSA
 * @param encCek 加密后的key
 * @param radix 16 进制
 * @param publicModulus 公钥的模
 * @param privateExponent 私钥指数
 * @return
 * @throws Exception
 */
public static byte[] cekDecryption(byte[] encCek, int radix, String publicModulus, String privateExponent) throws Exception{
byte[] cek = null;
try {
    RSAPrivateKeySpec rsaPrivateKeySpec = new RSAPrivateKeySpec(new BigInteger(publicModulus,radix),new BigInteger(privateExponent,radix));
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
    PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(rsaPrivateKeySpec);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding", BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);
    cipher.init(2,privateKey);
    cek = cipher.doFinal(encCek);
}catch (Exception e){
    e.printStackTrace();
}finally {
    if (encCek == null){
        throw new Exception("cekDecryption 解密失败");
    }
}
return cek;
}

decryptUseCekAndSalt （对称解密）

/**
 *  使用 cek / salt 解密 data 对称
 * @param cek
 * @param salt
 * @param data
 * @param aad 可以为null
 * @return
 */
public static byte[] decryptUseCekAndSalt(byte[] cek, byte[] salt, byte[] data, byte[] aad,String headerEnc) throws Exception {
    byte[] out = null;
    try {
        AlgorithmFactoryFactory factoryFactory = AlgorithmFactoryFactory.getInstance();
        AlgorithmFactory<ContentEncryptionAlgorithm> factory = factoryFactory.getJweContentEncryptionAlgorithmFactory();
        ContentEncryptionAlgorithm alg = factory.getAlgorithm("A128GCM");

        byte[] encTextByte = new byte[data.length -16];
        byte[] encTagByte = new byte[16];

        System.arraycopy(data,0,encTextByte,0,encTextByte.length);
        System.arraycopy(data,data.length-16,encTagByte,0,encTagByte.length);

        Headers headers = new Headers();
        headers.setFullHeaderAsJsonString(new String(Base64.decode(headerEnc),"UTF-8"));

        ContentEncryptionParts contentEncryptionParts = new ContentEncryptionParts(salt,encTextByte,encTagByte);
        // 解密
        out = alg.decrypt(contentEncryptionParts, aad, cek, headers, new ProviderContext());
        return out;
    }catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
    }finally {
        if(out == null){
            throw new Exception("decryptUseCekAndSalt 解密失败");
        }
    }
    return null;
}

结束语

以上就是JWE的实现流程与方式，以及最终数据的组装拼接校验。

viakiba