Java 中的金鑰封裝機制 API

1. 引言

JEP 452將標準化的金鑰封裝機制 (KEM) API 引入 Java 平台（JDK 21），作為javax.crypto套件的一部分。

這項新增功能填補了 Java 加密架構 (JCA) 中長期存在的空白——提供了一種標準的、與提供者無關的方式，可以使用公鑰加密安全地建立共享對稱金鑰。

在 Java 21 之前，開發人員依賴Cipher 、 KeyAgreement或KeyGenerator物件的自訂組合來模擬此過程。這些方法通常容易出錯，並且在不同的密鑰提供者之間也不一致。

借助 KEM，整個金鑰交換步驟變成了一個單一的、定義明確的 API。

在本教程中，我們將探索 Java 21 中的 KEM API。

2. 什麼是密鑰封裝機制？

KEM 是一種公鑰密碼學原語，用於在雙方之間安全地建立共享對稱金鑰。

它由三個功能組成：

• 產生金鑰對，輸出公鑰和私鑰。
• 金鑰封裝，其中發送方使用接收方的公鑰產生共享的秘密金鑰（ K ）和金鑰封裝訊息（密文）。
• 金鑰解封裝，其中接收者使用其私鑰和封裝訊息來恢復相同的秘密金鑰（ K ）。

與直接使用Cipher不同，KEM 與格式無關，避免了填充問題，並且可以無縫地用於經典演算法和後量子演算法。

它也是現代協定（如傳輸層安全協定 (TLS)、混合公鑰加密協定 (HPKE, RFC 9180 ) 和新興的後量子密碼 (PQC) 方案）的基本組成部分。

3. 支援的演算法

JEP 452 的實現支持幾種標準化的關鍵事件管理 (KEM) ：

• RSA-KEM：一種基於 RSA 金鑰對的 KEM。
• 橢圓曲線整合加密方案（ECIES）：基於橢圓曲線的方案。
• DHKEM：Diffie-Hellman KEM 在RFC 9180中定義。

提供者可以添加新的 KEM 實現，例如 Kyber 等後量子 KEM，而無需更改我們的應用程式邏輯。

4. 封裝共享密鑰

在傳送方，我們需要使用接收方的公鑰封裝一個新的共用金鑰。

讓我們來看看如何使用KemUtils類別進行封裝：

public class KemUtils {



 public record KemResult(SecretKey sharedSecret, byte[] encapsulation) {}



 public static KemResult encapsulate(String algorithm, PublicKey publicKey) throws Exception {

 KEM kem = KEM.getInstance(algorithm);

 KEM.Encapsulator encapsulator = kem.newEncapsulator(publicKey);

 KEM.Encapsulated result = encapsulator.encapsulate();

 return new KemResult(result.key(), result.encapsulation());

 }

 }

` encapsulate()方法執行整個 KEM 封裝過程。它首先取得指定演算法（例如「DHKEM」）的 KEM 實例，並使用接收者的公鑰建立一個Encapsulator 。此封裝器透過encapsulate()來產生共享金鑰和相關的封裝數據，從而履行發送方的職責。然後，該方法將這兩個輸出打包到一個KemResult記錄中，並將其傳回給呼叫方。

為了讓 KEM 操作更容易使用，我們定義了一個名為KemResult的簡單記錄：

public record KemResult(SecretKey sharedSecret, byte[] encapsulation) {}

KemResult記錄是 KEM 操作的兩個輸出的簡單、不可變的容器－共用對稱金鑰（ SecretKey ）和對應的封裝 blob（ byte[] ）。

然後，發送方將封裝位元組陣列傳送給接收方，同時對sharedSecret保密，用於加密或金鑰派生。

5. 解封裝共享密鑰

在接收方，我們需要使用封裝 blob 和接收方的私鑰來恢復相同的共用金鑰。

接收者呼叫我們工具類別中的decapsulate()方法，並傳遞演算法名稱（“DHKEM”）、接收方的私鑰以及從發送方收到的封裝 blob：

public static KemResult decapsulate(String algorithm, PrivateKey privateKey, byte[] encapsulation)

 throws Exception {

 KEM kem = KEM.getInstance(algorithm);

 KEM.Decapsulator decapsulator = kem.newDecapsulator(privateKey);

 SecretKey recoveredSecret = decapsulator.decapsulate(encapsulation);

 return new KemResult(recoveredSecret, encapsulation);

 }

該方法首先為指定的演算法建立一個 KEM 實例，並使用接收方的私鑰初始化一個Decapsulator 。然後，該方法呼叫decapsulate(encapsulation)函數，從發送方收到的封裝資料塊中重構共用對稱金鑰（ SecretKey ）。最後，它會傳回一個新的KemResult其中包含恢復的金鑰和封裝資料。

6. 寫作測試

為了確保我們的 KEM 封裝和解封裝邏輯正常運作，我們可以編寫一個單元測試來驗證雙方。此測試模擬完整的 KEM 金鑰交換過程，從金鑰產生到秘密驗證。

讓我們來建立測試方法：

@Test

 void givenKem_whenSenderEncapsulatesAndReceiverDecapsulates_thenSecretsMatch() throws Exception {

 KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance("X25519");

 KeyPair keyPair = kpg.generateKeyPair();



 KemUtils.KemResult senderResult = KemUtils.encapsulate("DHKEM", keyPair.getPublic());

 assertNotNull(senderResult.sharedSecret());

 assertNotNull(senderResult.encapsulation());



 KemUtils.KemResult receiverResult = KemUtils.decapsulate("DHKEM", keyPair.getPrivate(),

 senderResult.encapsulation());



 SecretKey senderSecret = senderResult.sharedSecret();

 SecretKey receiverSecret = receiverResult.sharedSecret();



 assertArrayEquals(senderSecret.getEncoded(), receiverSecret.getEncoded(),

 "Shared secrets from sender and receiver must match");

 }

測試首先產生「X25519」金鑰對，代表接收者的公鑰和私鑰。主要測試使用「DHKEM」演算法模擬完整的發送方-接收方金鑰交換：發送方使用接收方的公鑰封裝共用金鑰，接收方使用其私鑰解封裝該金鑰。

此測試斷言產生的共用金鑰和封裝區塊均不為空，然後驗證發送方和接收方共用金鑰的編碼位元組是否相同。

現在，讓我們建立一個測試案例，驗證當使用錯誤的私鑰時，KEM 解封裝過程是否會失敗：

@Test

 void givenDifferentReceiverKey_whenDecapsulate_thenFails() throws Exception {

 KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");

 KeyPair wrongKeyPair = kpg.generateKeyPair();



 KemUtils.KemResult senderResult = KemUtils.encapsulate("DHKEM", keyPair.getPublic());



 assertThrows(Exception.class, () ->

 KemUtils.decapsulate("DHKEM", wrongKeyPair.getPrivate(), senderResult.encapsulation()));

 }

它首先產生一個不匹配的金鑰對（本例中使用“RSA”），以模擬未經授權的接收者。然後，測試使用合法接收者的公鑰執行封裝，產生封裝區塊和共用金鑰。

當嘗試使用錯誤的私鑰解封裝此資料塊時，操作預期會失敗並觸發異常。 `assertThrows` assertThrows證實了這一行為，驗證了 KEM 強制執行封裝資料與正確金鑰對之間的嚴格加密綁定。

7. 結論

在本教程中，我們探討如何利用 Java 21 的 KEM API。我們示範如何使用接收方的公鑰封裝共用金鑰。然後，我們傳輸了封裝後的密鑰塊。最後，在接收方，我們對其進行解封裝，從而重構出相同的金鑰。

透過單元測試，我們驗證了 KEM 工作流程能夠正確地為預期的接收者產生相同的金鑰，同時防止使用錯誤的私鑰進行未經授權的解封裝。

和往常一樣，原始碼可以在 GitHub 上找到。