前言

Java 的密碼學地圖可以分為JCA、JCE、JSEE、JAAS，與密碼學相關的主要內容會在JCA與JCE，JSEE則是網路傳輸安全我們留到之後再說，簡介如下

• JCA (Java Cryptography Architecture)：密碼學基礎骨幹與憑證管理
• JCE (Java Cryptography Extension)：資料加解密與 HMAC 簽章
• JSSE(Java Secure Socket Extension)：TLS/SSL 網路傳輸安全
• JAAS(Java Authentication & Authorization Service)：身分驗證與權限授權

一、JCA 與 JCE 架構

在 Java 密碼學架構（JCA）中，為了實現「演算法獨立性」與「可插拔架構」，核心設計圍繞著兩個關鍵角色：Engine Class（引擎類別）與 Provider（提供者）。它們以 API 與 SPI 分離的形式相互協作

1. JCA (Java Cryptography Architecture) —— 密碼學核心骨幹

• 核心職責：處理雜湊（Hash）、數位簽章、金鑰對生成、安全亂數與憑證儲存。
• 主要 Package：java.security.*
• 代表性類別：
• MessageDigest：計算雜湊值（如 SHA-256、MD5）。
• Signature：進行非對稱數位簽章與驗章。
• KeyPairGenerator：生成 RSA / ECC 公私鑰對。
• KeyStore：管理與讀取 .jks 或 .p12 金鑰憑證庫。
• SecureRandom：產生密碼學安全等級的偽亂數。

2. JCE (Java Cryptography Extension) —— 高級資料加解密擴充

JCE 是 JCA 的功能延伸。早期因為美國對高強度加密演算法出口限制，JCE 曾作為獨立擴充套件發布，如今已完全內建於 JDK 中（但也因此保留了 javax.crypto 這個獨立 Package）。

• 核心職責：專注於「對稱與非對稱資料加解密」、「金鑰生成」、「訊息鑑別碼 (MAC)」與「金鑰交換」。
• 主要 Package：javax.crypto.*
• 代表性類別：
• Cipher：加解密的核心核心類別（如 AES、DES、RSA 加解密）。
• KeyGenerator / SecretKey：生成對稱式金鑰（如 AES Key）。
• Mac：計算訊息鑑別碼（如 API 對接常要求的 HMAC-SHA256 簽章）。
• KeyAgreement：Diffie-Hellman (DH) 金鑰協商。

二、Provider

JCA 採用了「服務提供者架構（Provider Architecture）」，API 層（如 Cipher、MessageDigest）只負責定義統一介面，真正的加密演算法與運算邏輯，全靠底層掛載的 Provider 來實作。

在 Java 生態系中，常見的 JCA Provider 可以分為以下四大類：

1. JDK 內建預設 Provider

Oracle JDK 與 OpenJDK 預設內建了多個 Provider，負責處理絕大多數基礎密碼學需求：

• Sun：Java 最古老的基礎 Provider，提供基本雜湊（SHA-1、SHA-256）、DSA 簽章與 KeyStore 基礎實作。
• SunJCE：對稱加密與資安擴充核心，負責 AES、DES、ChaCha20、HMAC、Diffie-Hellman 金鑰交換等實作。
• SunJSSE：專門負責 TLS/SSL 通訊協定的握手與加密通道建立。
• SunRSASign：專門處理 RSA 金鑰生成、RSA 加解密與 RSA 數位簽章。

2. 開發者必知：第三方 Provider

當 JDK 預設 Provider 支援的演算法不夠用（例如舊版 Java 不支援某些新式橢圓曲線或演算法），或是需要資安合規認證時，第三方 Provider 是最佳選擇：

• Bouncy Castle (BC)：
• 地位：Java 領域最知名、最主流的第三方密碼學 Provider。
• 特點：支援的演算法種類遠超 JDK 內建（如 Ed25519、Post-Quantum 後量子加密、AES-CCM 等），且支援舊版 Java 無法實現的新密碼標準。
• Bouncy Castle FIPS (BCFIPS)：
• 地位：專為資安合規（Compliance）打造的獨立分支。
• 特點：通過 FIPS 140-2 / FIPS 140-3 官方認證，金融業、政府專案或高資安要求的系統都會指定導入此 Provider。

3. 高效能 / Native 加速 Provider（C/C++ 原生庫）

Java 純程式碼處理高併發的 AES-GCM 或 TLS 加解密時，CPU 消耗較大。因此許多大廠推出了透過 JNI 呼叫 C/C++ 原生密碼庫（如 OpenSSL / BoringSSL）的 Provider 來榨乾硬體效能：

• Conscrypt (Google)：
• 技術底層：打包了 Google 的 BoringSSL（OpenSSL 的分支）。
• 應用場景：Android 系統預設使用；伺服器端（如 gRPC、Netty）常用來替換 Java 預設 JSSE，以獲得極高的 TLS 吞吐量與低延遲。
• Amazon Corretto Crypto Provider (ACCP)：
• 技術底層：AWS 開發，透過 JNI 連結 C 語言優化的 OpenSSL / libcrypto。
• 特點：專門針對 AES-GCM 與 64 位元 Linux 環境最佳化，CPU 加密吞吐量可提升數倍，AWS 環境與高併發服務常用。

4. 硬體與企業特定 Provider

• SunPKCS11：
• 用途：硬體安全模組（HSM）與晶片卡（Smart Card）的橋樑。
• 運算方式：它不親自做加密運算，而是透過 PKCS#11 標準介面，將金鑰產生與加解密指令轉發給實體的 HSM 硬體 處理，私鑰永遠不離開硬體。
• **IBMJCE / IBMJCECCA**：
• 用途：IBM Java SDK / WebSphere 伺服器專用，支援 IBM 大型機（Mainframe）與硬體密碼卡加速。

Java 開發實務：如何檢視與動態註冊 Provider？

1. 查閱當前 JVM 已載入的 Provider 優先順序：

import java.security.Provider;
import java.security.Security;

public class ProviderList {
    public static void main(String[] args) {
        int index = 1;
        for (Provider provider : Security.getProviders()) {
            System.out.println(index++ + ". " + provider.getName() + " (v" + provider.getVersionStr() + ")");
        }
        //        列印結果
        //        1. SUN (v21)
        //        2. SunRsaSign (v21)
        //        3. SunEC (v21)
        //        4. SunJSSE (v21)
        //        5. SunJCE (v21)
        //        6. SunJGSS (v21)
        //        7. SunSASL (v21)
        //        8. XMLDSig (v21)
        //        9. SunPCSC (v21)
        //        10. JdkLDAP (v21)
        //        11. JdkSASL (v21)
        //        12. SunMSCAPI (v21)
        //        13. SunPKCS11 (v21)
    }
}

2. 動態註冊第三方 Provider（以 Bouncy Castle 為例）：

<!-- Source: https://mvnrepository.com/artifact/org.bouncycastle/bcprov-jdk18on -->
<dependency>
    <groupId>org.bouncycastle</groupId>
    <artifactId>bcprov-jdk18on</artifactId>
    <version>1.86</version>
    <scope>compile</scope>
</dependency>

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import java.security.Security;
import javax.crypto.Cipher;

// 方法 A：全域註冊（掛載到 JVM 系統中）
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding", "BC"); // 指定使用 BC Provider

// 方法 B：單次呼叫時直接傳入 Provider 物件
Cipher cipherB = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding", new BouncyCastleProvider());

Reference

• Security Developer’s Guide - Oracle