Java 前端加密传输后端解密以及验证码功能

1. 加密解密

1.1 前端js加密概述

对系统安全性要求比较高，那么需要选择https协议来传输数据。当然很多情况下一般的web网站，如果安全要求不是很高的话，用http协议就可以了。在这种情况下，密码的明文传输显然是不合适的，因为如果请求在传输过程中被截了，就可以直接拿明文密码登录网站了。
HTTPS（443）在HTTP（80）的基础上加入了SSL（Secure Sockets Layer 安全套接层）协议，SSL依靠证书来验证服务器的身份，并为浏览器和服务器之间的通信加密。传输前用公钥加密，服务器端用私钥解密。

对于使用http协议的web前端的加密，只能防君子不能防小人。前端是完全暴露的，包括你的加密算法。
知道了加密算法，密码都是可以破解的，只是时间问题。请看知乎上的一篇文章：对抗拖库

所以加密是为了增加破解的时间成本，如果破解需要花费的时间让人难以接受，这也就达到了目的。

而为了保证数据库中存储的密码更安全，则需要在后端用多种单向（非对称）加密手段混合进行加密存储。

前端加密后端又需要解密，所以需要对称加密算法，即前端使用 encrypted = encrypt(password+key)，后端使用 password = decrypt(encrypted +key) ，前端只传输密码与key加密后的字符串encrypted ，这样即使请求被拦截了，也知道了加密算法，但是由于缺少key所以很难破解出明文密码。所以这个key很关键。而这个key是由后端控制生成与销毁的，用完即失效，所以即使可以模拟用加密后的密码来发请求模拟登录，但是key已经失效了，后端还是验证不过的。

注意，如果本地环境本就是不安全的，key被知道了，那就瞬间就可以用解密算法破解出密码了。这里只是假设传输的过程中被截获的情形。所以前端加密是防不了小人的。如果真要防，可以将加密算法的js文件进行压缩加密，不断更新的手段来使js文件难以获取，让黑客难以获取加密算法。变态的google就是这么干的，自己实现一个js虚拟机，通过不断更新加密混淆js文件让加密算法难以获取。这样黑客不知道加密算法就无法破解了。

常用的对称加密算法有DES、3DES（TripleDES）、AES、RC2、RC4、RC5和Blowfis。可以参考：常用加密算法的Java实现总结

这里采用js端与java端互通的AES加密算法。

1.2 前后端加密解密

1.2.1 引用的js加密库

Cryptojs下载

<script src="${request.contextPath}/resources/plugins/jQuery/jquery-2.2.4.min.js"></script>

<script src="${request.contextPath}/resources/cryptojs/aes.js"></script>

<script src="${request.contextPath}/resources/cryptojs/mode-ecb-min.js"></script>

1.2.2 js加密解密

var data = "888888";

var srcs  = CryptoJS.enc.Utf8.parse(data);

var key  = CryptoJS.enc.Utf8.parse('o7H8uIM2O5qv65l2');//Latin1 w8m31+Yy/Nw6thPsMpO5fg==

function Encrypt(word){  

    var srcs = CryptoJS.enc.Utf8.parse(word);

    var encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(srcs, key, {mode:CryptoJS.mode.ECB,padding: CryptoJS.pad.Pkcs7});

    return encrypted.toString();

}

function Decrypt(word){  

    var decrypt = CryptoJS.AES.decrypt(word, key, {mode:CryptoJS.mode.ECB,padding: CryptoJS.pad.Pkcs7});

    return CryptoJS.enc.Utf8.stringify(decrypt).toString();

}

这里key是页面加载的时候由服务器端生成的，用隐藏域保存。

1.2.3 Java端加密解密（PKCS5Padding与js的Pkcs7一致）

package com.jykj.demo.util;

import javax.crypto.Cipher;

import javax.crypto.KeyGenerator;

import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;

import sun.misc.BASE64Decoder;

public class EncryptUtil {

    private static final String KEY = "abcdefgabcdefg12";

    private static final String ALGORITHMSTR = "AES/ECB/PKCS5Padding";

    public static String base64Encode(byte[] bytes){

        return Base64.encodeBase64String(bytes);

    }

    public static byte[] base64Decode(String base64Code) throws Exception{

        return new BASE64Decoder().decodeBuffer(base64Code);

    }

    public static byte[] aesEncryptToBytes(String content, String encryptKey) throws Exception {

        KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES");

        kgen.init(128);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHMSTR);

        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(encryptKey.getBytes(), "AES"));  

        return cipher.doFinal(content.getBytes("utf-8"));

    }

    public static String aesEncrypt(String content, String encryptKey) throws Exception {

        return base64Encode(aesEncryptToBytes(content, encryptKey));

    }

    public static String aesDecryptByBytes(byte[] encryptBytes, String decryptKey) throws Exception {

        KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES");

        kgen.init(128);  

        Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHMSTR);

        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(decryptKey.getBytes(), "AES"));

        byte[] decryptBytes = cipher.doFinal(encryptBytes);  

        return new String(decryptBytes);

    }

    public static String aesDecrypt(String encryptStr, String decryptKey) throws Exception {

        return aesDecryptByBytes(base64Decode(encryptStr), decryptKey);

    }  

    /**

     * 测试

     *

     */

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        String content = "Test String么么哒";  //0gqIDaFNAAmwvv3tKsFOFf9P9m/6MWlmtB8SspgxqpWKYnELb/lXkyXm7P4sMf3e

        System.out.println("加密前：" + content);  

        System.out.println("加密密钥和解密密钥：" + KEY);  

        String encrypt = aesEncrypt(content, KEY);

        System.out.println(encrypt.length()+":加密后：" + encrypt);  

        String decrypt = aesDecrypt(encrypt, KEY);

        System.out.println("解密后：" + decrypt);

    }

}

2. 验证码

2.1 概述

验证码是用来区分人机的操作。
验证码划代的标准是人机识别过程中基于对人类知识的应用。
第一代：标准验证码
这一代验证码是即是我们常见的图形验证码、语音验证码，基于机器难以处理复杂的计算机视觉及语音识别问题，而人类却可以轻松的识别来区分人类及机器。这一代验证码初步利用了人类知识容易解答，而计算机难以解答的机制进行人机判断。

第二代：创新验证码
第二代验证码是基于第一代验证码的核心思想（通过人类知识可以解答，而计算机难以解答的问题进行人机判断）而产生的创新的交互优化型验证码。第二代验证码基于第一代验证码的核心原理－－“人机之间知识的差异”，拓展出大量创新型验证码。

第三代：无知识型验证码
第三代验证码最大的特点是不再基于知识进行人机判断，而是基于人类固有的生物特征以及操作的环境信息综合决策，来判断是人类还是机器。无知识型验证码最大特点即无需人类思考，从而不会打断用户操作，进而提供更好的用户体验。
如Google的新版ReCaptcha、阿里巴巴的滑动验证。参考知乎 关于验证码

2.2 验证码生成器

package com.jykj.demo.util;

import java.awt.Color;

import java.awt.Font;

import java.awt.Graphics2D;

import java.awt.image.BufferedImage;

import java.io.FileOutputStream;

import java.io.IOException;

import java.io.OutputStream;

import java.util.Random;

import javax.imageio.ImageIO;

/**

 * 验证码生成器

 *

 */

public class ValidateCode {

    // 图片的宽度。

    private int width = 160;

    // 图片的高度。

    private int height = 28;

    // 验证码字符个数

    private int codeCount = 4;

    // 验证码干扰线数

    private int lineCount = 150;

    // 验证码

    private String code = null;

    // 验证码图片Buffer

    private BufferedImage buffImg = null;

    private char[] codeSequence = { 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H', 'I', 'J', 'K', 'L', 'M', 'N', 'P', 'Q', 'R',

            'S', 'T', 'U', 'V', 'W', 'X', 'Y', 'Z', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9' };

    public ValidateCode() {

        this.createCode();

    }

    /**

     *

     * @param width

     *            图片宽

     * @param height

     *            图片高

     */

    public ValidateCode(int width, int height) {

        this.width = width;

        this.height = height;

        this.createCode();

    }

    /**

     *

     * @param width

     *            图片宽

     * @param height

     *            图片高

     * @param codeCount

     *            字符个数

     * @param lineCount

     *            干扰线条数

     */

    public ValidateCode(int width, int height, int codeCount, int lineCount) {

        this.width = width;

        this.height = height;

        this.codeCount = codeCount;

        this.lineCount = lineCount;

        this.createCode();

    }

    public void createCode() {

        int x = 0, fontHeight = 0, codeY = 0;

        int red = 0, green = 0, blue = 0;

        x = width / (codeCount + 2);// 每个字符的宽度

        fontHeight = height - 2;// 字体的高度

        codeY = height - 4;

        // 图像buffer

        buffImg = new BufferedImage(width, height, BufferedImage.TYPE_INT_RGB);

        Graphics2D g = buffImg.createGraphics();

        // 生成随机数

        Random random = new Random();

        // 将图像填充为白色

        g.setColor(Color.WHITE);

        g.fillRect(0, 0, width, height);

        // 创建字体

        Font font = new Font("Fixedsys", Font.BOLD, fontHeight);

        g.setFont(font);

        //干扰线

        for (int i = 0; i < lineCount; i++) {

            int xs = random.nextInt(width);

            int ys = random.nextInt(height);

            int xe = xs + random.nextInt(width / 8);

            int ye = ys + random.nextInt(height / 8);

            red = random.nextInt(255);

            green = random.nextInt(255);

            blue = random.nextInt(255);

            g.setColor(new Color(red, green, blue));

            g.drawLine(xs, ys, xe, ye);

        }

        // randomCode记录随机产生的验证码

        StringBuffer randomCode = new StringBuffer();

        // 随机产生codeCount个字符的验证码。

        for (int i = 0; i < codeCount; i++) {

            String strRand = String.valueOf(codeSequence[random.nextInt(codeSequence.length)]);

            // 产生随机的颜色值，让输出的每个字符的颜色值都将不同。

            red = random.nextInt(255);

            green = random.nextInt(255);

            blue = random.nextInt(255);

            g.setColor(new Color(red, green, blue));

            g.drawString(strRand, (i + 1) * x, codeY);

            // 将产生的四个随机数组合在一起。

            randomCode.append(strRand);

        }

        // 将四位数字的验证码保存到Session中。

        code = randomCode.toString();

    }

    public void write(String path) throws IOException {

        OutputStream sos = new FileOutputStream(path);

        this.write(sos);

    }

    public void write(OutputStream sos) throws IOException {

        ImageIO.write(buffImg, "png", sos);

        sos.close();

    }

    public BufferedImage getBuffImg() {

        return buffImg;

    }

    public String getCode() {

        return code;

    }

}

2.3 控制器使用验证码如 CodeController

@RequestMapping("/getCode.do")

    public void getCode(HttpServletRequest reqeust, HttpServletResponse response) throws IOException {

        response.setContentType("image/jpeg");

        // 禁止图像缓存。

        response.setHeader("Pragma", "no-cache");

        response.setHeader("Cache-Control", "no-cache");

        response.setDateHeader("Expires", 0);

        HttpSession session = reqeust.getSession();

        ValidateCode vCode = new ValidateCode(100, 28, 4, 100);

        session.setAttribute(Helper.SESSION_CHECKCODE, vCode.getCode());

        vCode.write(response.getOutputStream());

    }

3. 应用

实现功能：前端AES加密传输后端解密以及n次输入验证不通过后需要验证码
有了上面的基础，实现起来应该不难了。

3.1 login.html

<input type="hidden" id="KEY" value="${Session.login_token}"/>

    <form action="signIn" method="post" id="loginForm">

      <div class="form-group has-feedback">

        <input type="text" class="form-control" placeholder="Email" name="username"

           onkeydown="javascript:if(event.keyCode==13) $('#password').focus();">

      </div>

      <div class="form-group has-feedback">

        <input type="password" class="form-control" id="password"

            id="formPwd" onkeydown="javascript:if(event.keyCode==13) login();" >

      </div>

      <#if Session.login_failure_count?? && (Session.login_failure_count <=0) >

      <div class="form-group has-feedback">

        <input name="checkCode" onkeydown="javascript:if(event.keyCode==13)  login();" type="text" id="checkCode" maxlength="4" onblur="checkTheCode(this)" style="width:120px;"/>

        <img src="getCode.do" id="CreateCheckCode" align="middle" title="点击刷新验证码" onclick="getCode()"  style="cursor: pointer;">

        <span id="checkCodeSpan" style="float: right;color: red;"></span>

      </div>

      </#if>

      <div class="row">

        <div class="col-xs-8">

          <div class="checkbox icheck">

            <label>

              <input type="checkbox" name="remember" checked="checked"  >记住密码

            </label>

          </div>

        </div>

        <!-- /.col -->

        <div class="col-xs-4">

          <button type="button" onclick="login()"  class="btn btn-primary btn-block btn-flat">登录</button>

        </div>

        <!-- /.col -->

      </div>

    </form>

 <script>

 function login(){

 $('#loginForm').form('submit',{

  onSubmit: function(param){

      var username = $('#loginForm input[name=username]').val();

      if($.trim(username)==''){

          alert('账号不能为空！')

          $('#loginForm input[name=username]').focus();

          return false;

      }

      var p = $('#loginForm #password').val();

      if($.trim(p)==''){

          alert('密码不能为空！')

          $('#loginForm #password').focus();

          return false;

      }

      var checkCodeInput = $('#loginForm #checkCode');

      if(checkCodeInput.length>0){//判断元素是否存在

          var checkCode = checkCodeInput.val();

          if($.trim(checkCode)=='' || checkCode.length!=4 ){

              alert('请输入4位验证码！')

              checkCodeInput.select();

              checkCodeInput.focus();

              return false;

          }

      }

      var key = $('#KEY').val();

      key = CryptoJS.enc.Utf8.parse(key);

      p = CryptoJS.enc.Utf8.parse($.trim(p));

      var encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(p, key, {mode:CryptoJS.mode.ECB,padding: CryptoJS.pad.Pkcs7});

      param.password = encrypted.toString();

  },

  success:function(data){

      var data = eval('(' + data + ')');

      if (data.success){

          window.location.href = '${request.contextPath}/';

      }else{

          if(data.info=='timeout'){//可能已经就登录了，无需再次登录

              alert('登录超时或已经登录！');

              window.location.href = '${request.contextPath}/';

          }else if('checkCode'==data.info){//需要验证码了

              alert('用户名或密码错误！');

              window.location.href = 'login';

          }else if('codeError'==data.info){//验证码错误

              getCode();

              $('#checkCodeSpan').text('验证码错误');

              $('#loginForm #checkCode').select();

              $('#loginForm #checkCode').focus();

          }else{

              //登录失败，更新login_token

              $('#KEY').val(data.data);

              if($('#checkCodeSpan')){

                  $('#checkCodeSpan').text('');

              }

              alert(data.info);

          }

      }

  }

 }) ;

}

function getCode(){

    $("#CreateCheckCode").attr('src',"getCode.do?nocache=" + new Date().getTime());

}

 </script>

3.2 Controller

在请求登录页面时需要后端生成一个随机的16位字符串的key，用于前后端加密解密用，该key在登录成功后销毁，存储在session中。

@RequestMapping(value = "/login", method = RequestMethod.GET)

    public String login(){

        //生成login_token

        session.setAttribute(Helper.SESSION_LOGIN_TOKEN,RandomUtil.generateString(16));//登录令牌，用于密码加密的key，16位长度

        if(session.getAttribute(Helper.SESSION_USER) == null){

            return "login";

        }

        else

            return "redirect:/";

    }

接下来是提交form表单的请求

@RequestMapping(value = "/signIn", method = RequestMethod.POST,produces = "text/html;charset=UTF-8")

    @ResponseBody

    public String signIn(String username,String password,boolean remember,String checkCode) throws AuthorizationException{

        System.out.println(username+","+password+","+remember+","+checkCode);

        Object token = session.getAttribute(Helper.SESSION_LOGIN_TOKEN);//原始令牌

        if(token==null) return JSON.toJSONString(new Result(false,"timeout"));//登录成功后token失效，则页面失效，客户端需要重定向到主界面

        Object countObj = session.getAttribute(Helper.SESSION_LOGIN_FAILURE_COUNT);

        int count = countObj==null?ConfigInfo.login_failure_count:Integer.parseInt(countObj.toString());

        System.out.println("剩余次数："+count);

        //验证码逻辑

        if(count<=0){//需要验证码

            Object oldCode = session.getAttribute(Helper.SESSION_CHECKCODE);

            if(checkCode==null||oldCode==null){//该登录界面没有验证码字段，但是已经消耗掉了剩余次数，说明该页面是过期页面，需要重新登录

                return JSON.toJSONString(new Result(false,"timeout"));//客户端需要重定向到主界面

            }

            if(checkCode.trim().isEmpty()) return JSON.toJSONString(new Result(false,"请输入验证码"));

            if(oldCode.toString().equalsIgnoreCase(checkCode)){

                //验证通过，可信客户端，给两次剩余次数

                count=2;

                session.setAttribute(Helper.SESSION_LOGIN_FAILURE_COUNT,2);

            }else{

                return JSON.toJSONString(new Result(false,"codeError"));//验证码不正确，客户端需要刷新验证码

            }

        }

        //解密

        try {

            password = EncryptUtil.aesDecrypt(password,token.toString());//解密后

            System.out.println("Decrypt:"+password);

        } catch (Exception e) {

            e.printStackTrace();

            return JSON.toJSONString(new Result(false,"timeout"));//客户端需要重定向到主界面

        }

        //登录校验

        String key = RandomUtil.generateString(16);//重新生成登录令牌,任何登录失败的操作都需要更新登录令牌

        ViewSysUser user =  sysUserService.selectUserPwd(username,password);

        if(user == null){

            session.setAttribute(Helper.SESSION_LOGIN_TOKEN,key);

            session.setAttribute(Helper.SESSION_LOGIN_FAILURE_COUNT,--count);//剩余次数-1

            if(count<=0) return JSON.toJSONString(new Result(false,"checkCode"));//客户端需要重定向到登录界面将验证码显示出来

            return JSON.toJSONString(new Result(false,"用户名或密码错误！",key));

        }else{

            if(user.getUserid()!=ConfigInfo.admin_id && !user.getuStatus().equals(ConfigInfo.user_status_normal)) {

                session.setAttribute(Helper.SESSION_LOGIN_TOKEN,key);

                return JSON.toJSONString(new Result(false,"登录失败，该账号已被禁止使用！",key));

            }

            //登录成功

            session.removeAttribute(Helper.SESSION_LOGIN_TOKEN);

            loginUser = user;

            session.setAttribute(Helper.SESSION_USER,loginUser);

            sysEventService.insertEventLog(Helper.logTypeSecurity,username+" 登录系统");

            return JSON.toJSONString(new Result(true,"登录成功！"));

        }

    }

下面是生成随机数的工具类，很简单

package com.jykj.demo.util;

import java.util.Random;  

public class RandomUtil {

    public static final String ALLCHAR = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";

    public static final String LETTERCHAR = "abcdefghijkllmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";

    public static final String NUMBERCHAR = "0123456789";  

    /**

     * 返回一个定长的随机字符串(只包含大小写字母、数字)

     *

     * @param length

     *            随机字符串长度

     * @return 随机字符串

     */

    public static String generateString(int length) {

        StringBuffer sb = new StringBuffer();

        Random random = new Random();

        for (int i = 0; i < length; i++) {

            sb.append(ALLCHAR.charAt(random.nextInt(ALLCHAR.length())));

        }

        return sb.toString();

    }  

    /**

     * 返回一个定长的随机纯字母字符串(只包含大小写字母)

     *

     * @param length

     *            随机字符串长度

     * @return 随机字符串

     */

    public static String generateMixString(int length) {

        StringBuffer sb = new StringBuffer();

        Random random = new Random();

        for (int i = 0; i < length; i++) {

            sb.append(LETTERCHAR.charAt(random.nextInt(LETTERCHAR.length())));

        }

        return sb.toString();

    }  

    /**

     * 返回一个定长的随机纯大写字母字符串(只包含大小写字母)

     *

     * @param length

     *            随机字符串长度

     * @return 随机字符串

     */

    public static String generateLowerString(int length) {

        return generateMixString(length).toLowerCase();

    }  

    /**

     * 返回一个定长的随机纯小写字母字符串(只包含大小写字母)

     *

     * @param length

     *            随机字符串长度

     * @return 随机字符串

     */

    public static String generateUpperString(int length) {

        return generateMixString(length).toUpperCase();

    }  

    /**

     * 生成一个定长的纯0字符串

     *

     * @param length

     *            字符串长度

     * @return 纯0字符串

     */

    public static String generateZeroString(int length) {

        StringBuffer sb = new StringBuffer();

        for (int i = 0; i < length; i++) {

            sb.append('0');

        }

        return sb.toString();

    }  

    /**

     * 根据数字生成一个定长的字符串，长度不够前面补0

     *

     * @param num

     *            数字

     * @param fixdlenth

     *            字符串长度

     * @return 定长的字符串

     */

    public static String toFixdLengthString(long num, int fixdlenth) {

        StringBuffer sb = new StringBuffer();

        String strNum = String.valueOf(num);

        if (fixdlenth - strNum.length() >= 0) {

            sb.append(generateZeroString(fixdlenth - strNum.length()));

        } else {

            throw new RuntimeException("将数字" + num + "转化为长度为" + fixdlenth

                    + "的字符串发生异常！");

        }

        sb.append(strNum);

        return sb.toString();

    }  

    /**

     * 每次生成的len位数都不相同

     *

     * @param param

     * @return 定长的数字

     */

    public static int getNotSimple(int[] param, int len) {

        Random rand = new Random();

        for (int i = param.length; i > 1; i--) {

            int index = rand.nextInt(i);

            int tmp = param[index];

            param[index] = param[i - 1];

            param[i - 1] = tmp;

        }

        int result = 0;

        for (int i = 0; i < len; i++) {

            result = result * 10 + param[i];

        }

        return result;

    }

}

3.4 实现思路

现在淘宝登录界面采用的是无知识型验证码，只需要拖动滑块来判断是否是机器还是人，如果拖滑块验证失败，会弹出验证码输入或点击选择的框，来进行二次验证。若验证成功后，连续5次输入错误的用户名或密码，则又会弹出验证码来需要继续验证。也就是说有一个风险分析系统，如果满足一定的条件（如连续多次输入错误等）则需要加强验证。风险分析系统要综合多种因素如ip，用户信息等等。Google更简单，通过点击复选框（I’m not a robot）就通过验证。

刚开始时是不需要验证码的，用session来存储剩余次数，当连续5次验证都失败后，该计数递减为0，则后台判断该客户端不是很可信，需要验证码来加强验证，重新刷新登录界面（可以重定向实现）把验证码输入框加载出来。客户端需要同时提交账号密码以及验证码到后台验证，若验证码通过验证，重新将次数复位（或自定义设置），表示该客户端暂时可信下次提交登录时可以不需要验证码。

对于密码的加密传输与后端解密，key的生成与销毁的控制很关键。当加载登录页面时，由后台生成一个key给该页面，并保存到隐藏域中，同时该key也是存在session中。前端js用AES加密算法将密码和key混合加密，提交给后台，后台用相应的解密算法还原出原始密码，然后该原始密码用存储时使用的多重混合加密算法进行加密与数据库中的密码匹配验证。当验证成功后，移除session中的key。而验证失败后的逻辑很关键，验证失败后，需要重新生成一个key给客户端，所以客户端通过返回的信息将key赋值到那个隐藏域字段中，这样达到刷新key的目的。

总体来说，验证码的逻辑会有点复杂。验证码的验证最好放到后台来验证，如果放到前台就需要用一个隐藏域字段来存这个验证码，这样的话机器也可以获取到，那机器就不用识别图片就可以验证了，这样验证码就失去了作用。