量子计算是加密领域最热门的话题之一。虽然现在量子计算机还没普及，但威胁已经来了。传统的加密算法，比如RSA、ECC，在量子计算机面前不堪一击，Shor算法能在多项式时间内破解这些算法，现有的加密体系可能都要重来。
鹏磊我之前就关注过这个问题，特别是做金融系统的时候，数据要加密存储，密钥管理是个大问题。以前用PBKDF2、scrypt这些密钥派生函数，虽然能用，但API不统一，用起来麻烦，而且这些算法在量子计算机面前可能也不够安全。现在量子计算机虽然还没普及，但数据要存几十年，现在加密的数据，等量子计算机普及了可能就被破解了，得提前准备。
现在好了，JDK 24的JEP 478（密钥派生函数API）虽然还是预览版，但确实能解决这个问题。这个特性提供了统一的密钥派生函数API，支持HKDF（HMAC-based Key Derivation Function）等算法，为量子安全做准备。虽然现在还是预览版，但已经能看到Java在朝着后量子密码学的方向发展了。兄弟们别磨叽，咱这就开始整活，把这个特性给整明白。
什么是密钥派生函数
先说说啥是密钥派生函数（Key Derivation Function，简称KDF）。密钥派生函数就是从一个主密钥（master key）或者密码（password）派生出一个或多个密钥的函数。为啥需要派生呢？因为不同的用途需要不同的密钥，比如加密用一把密钥，认证用另一把密钥，不能混用。
密钥派生函数有很多种，比如PBKDF2、scrypt、Argon2、HKDF这些。PBKDF2是老算法，虽然还能用，但安全性不如新算法。scrypt和Argon2是内存硬函数，抗暴力破解能力强，但计算成本高。HKDF是基于HMAC的密钥派生函数，RFC 5869标准，安全性好，性能也不错，适合很多场景。
以前Java里没有统一的密钥派生函数API，要用这些算法得自己实现或者用第三方库，麻烦不说，还容易出错。现在JEP 478提供了统一的API，用起来方便多了。
JEP 478 的核心特性
JEP 478是JDK 24引入的一个预览特性，主要做了这么几件事：
- 统一API：提供了统一的密钥派生函数API，
javax.crypto.KDF接口 - HKDF支持：支持HKDF算法，包括extract-only、expand-only、extract-then-expand三种模式
- 参数化设计：通过
KDFParameters和HKDFParameterSpec配置算法参数 - 量子安全准备：为后量子密码学做准备，支持量子安全的密钥派生算法
- 预览特性：目前还是预览版，需要启用预览特性才能用
这个特性是预览版，为啥呢？因为还在完善阶段，API可能还会调整，需要更多实际场景的验证。但已经能看到Java在朝着后量子密码学的方向发展了，未来可能会支持更多量子安全的算法。
密钥派生函数API使用
JEP 478提供了统一的密钥派生函数API，主要在javax.crypto包里。核心接口是KDF，参数类是KDFParameters和HKDFParameterSpec。咱一个个来看。
KDF接口
KDF接口是密钥派生函数的核心接口，提供了获取算法信息、参数、派生密钥等方法。
// 获取KDF实例
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
// 获取算法名称
String algorithm = kdf.getAlgorithm(); // 返回 "HKDF"
// 获取参数
KDFParameters params = kdf.getParameters();
// 派生密钥
SecretKey derivedKey = kdf.deriveKey("AES", paramSpec);
// 派生密钥材料
byte[] keyMaterial = kdf.deriveData(paramSpec);
HKDFParameterSpec
HKDFParameterSpec是HKDF算法的参数规范，支持三种模式：extract-only、expand-only、extract-then-expand。
// Extract-only模式：只执行extract操作
HKDFParameterSpec.Extract extractSpec = HKDFParameterSpec.ofExtract()
.extractOnly()
.salt(salt) // 盐值
.ikm(ikm); // 输入密钥材料
// Expand-only模式：只执行expand操作
HKDFParameterSpec.Expand expandSpec = HKDFParameterSpec.expandOnly(
prk, // 伪随机密钥（PRK）
info, // 上下文和应用特定信息
256 // 派生密钥长度（位）
);
// Extract-then-expand模式：先extract再expand
HKDFParameterSpec.ExtractThenExpand extractThenExpandSpec =
HKDFParameterSpec.ofExtract()
.thenExpand(info, 256) // 先extract，再expand
.salt(salt)
.ikm(ikm);
实际应用场景
密钥派生函数API适合哪些场景呢？鹏磊我觉得主要有这么几类：
1. 密钥管理
密钥管理是密钥派生函数最常见的应用场景。从一个主密钥派生出多个子密钥，用于不同的用途，比如加密、认证、签名等。
// 密钥管理示例
public class KeyManager {
private final SecretKey masterKey;
public KeyManager(SecretKey masterKey) {
this.masterKey = masterKey;
}
// 派生加密密钥
public SecretKey deriveEncryptionKey(byte[] context) throws Exception {
// 创建HKDF实例
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
// 配置参数：extract-then-expand模式
HKDFParameterSpec.ExtractThenExpand spec = HKDFParameterSpec.ofExtract()
.thenExpand(context, 256) // 派生256位密钥
.salt("encryption-salt".getBytes()) // 盐值
.ikm(masterKey.getEncoded()); // 输入密钥材料
// 派生密钥
return kdf.deriveKey("AES", spec);
}
// 派生认证密钥
public SecretKey deriveAuthenticationKey(byte[] context) throws Exception {
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
// 配置参数：extract-then-expand模式
HKDFParameterSpec.ExtractThenExpand spec = HKDFParameterSpec.ofExtract()
.thenExpand(context, 256) // 派生256位密钥
.salt("auth-salt".getBytes()) // 不同的盐值
.ikm(masterKey.getEncoded());
// 派生密钥
return kdf.deriveKey("HmacSHA256", spec);
}
// 派生签名密钥
public SecretKey deriveSigningKey(byte[] context) throws Exception {
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
// 配置参数：extract-then-expand模式
HKDFParameterSpec.ExtractThenExpand spec = HKDFParameterSpec.ofExtract()
.thenExpand(context, 256) // 派生256位密钥
.salt("signing-salt".getBytes()) // 不同的盐值
.ikm(masterKey.getEncoded());
// 派生密钥
return kdf.deriveKey("HmacSHA256", spec);
}
}
2. 密码加密
密码加密是密钥派生函数的另一个常见应用。从用户密码派生出加密密钥，用于加密用户数据。
// 密码加密示例
public class PasswordEncryption {
// 从密码派生加密密钥
public SecretKey deriveKeyFromPassword(String password, byte[] salt) throws Exception {
// 创建HKDF实例
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
// 配置参数：extract-then-expand模式
HKDFParameterSpec.ExtractThenExpand spec = HKDFParameterSpec.ofExtract()
.thenExpand("encryption-context".getBytes(), 256) // 上下文信息
.salt(salt) // 盐值
.ikm(password.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)); // 密码作为输入密钥材料
// 派生密钥
return kdf.deriveKey("AES", spec);
}
// 加密数据
public byte[] encrypt(String password, byte[] data) throws Exception {
// 生成随机盐值
byte[] salt = generateSalt();
// 从密码派生密钥
SecretKey key = deriveKeyFromPassword(password, salt);
// 加密数据
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] encrypted = cipher.doFinal(data);
// 返回盐值和加密数据（实际应用中可能需要更复杂的格式）
return combineSaltAndData(salt, encrypted);
}
// 解密数据
public byte[] decrypt(String password, byte[] encryptedData) throws Exception {
// 提取盐值和加密数据
byte[] salt = extractSalt(encryptedData);
byte[] encrypted = extractEncryptedData(encryptedData);
// 从密码派生密钥
SecretKey key = deriveKeyFromPassword(password, salt);
// 解密数据
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
return cipher.doFinal(encrypted);
}
private byte[] generateSalt() {
// 生成随机盐值
SecureRandom random = new SecureRandom();
byte[] salt = new byte[16];
random.nextBytes(salt);
return salt;
}
private byte[] combineSaltAndData(byte[] salt, byte[] data) {
// 组合盐值和数据（简化示例）
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(salt.length + data.length);
buffer.put(salt);
buffer.put(data);
return buffer.array();
}
private byte[] extractSalt(byte[] combined) {
// 提取盐值（简化示例）
byte[] salt = new byte[16];
System.arraycopy(combined, 0, salt, 0, 16);
return salt;
}
private byte[] extractEncryptedData(byte[] combined) {
// 提取加密数据（简化示例）
byte[] data = new byte[combined.length - 16];
System.arraycopy(combined, 16, data, 0, data.length);
return data;
}
}
3. 安全通信
安全通信中，密钥派生函数用于从共享密钥派生出会话密钥，用于加密通信数据。
// 安全通信示例
public class SecureCommunication {
// 从共享密钥派生会话密钥
public SecretKey deriveSessionKey(SecretKey sharedKey, byte[] sessionId) throws Exception {
// 创建HKDF实例
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
// 配置参数：extract-then-expand模式
HKDFParameterSpec.ExtractThenExpand spec = HKDFParameterSpec.ofExtract()
.thenExpand(sessionId, 256) // 会话ID作为上下文
.salt("session-salt".getBytes()) // 盐值
.ikm(sharedKey.getEncoded()); // 共享密钥作为输入密钥材料
// 派生会话密钥
return kdf.deriveKey("AES", spec);
}
// 建立安全连接
public void establishSecureConnection(SecretKey sharedKey, byte[] sessionId) throws Exception {
// 派生会话密钥
SecretKey sessionKey = deriveSessionKey(sharedKey, sessionId);
// 使用会话密钥加密通信
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, sessionKey);
// 发送加密数据
byte[] data = "Hello, World!".getBytes();
byte[] encrypted = cipher.doFinal(data);
System.out.println("加密数据: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
}
}
HKDF算法详解
HKDF（HMAC-based Key Derivation Function）是RFC 5869定义的密钥派生函数，基于HMAC实现，安全性好，性能也不错。HKDF分两个阶段：extract和expand。
Extract阶段
Extract阶段从输入密钥材料（IKM）和盐值（salt）提取伪随机密钥（PRK）。如果salt为空，就用全零的salt。
// Extract-only模式示例
public SecretKey extractPRK(byte[] ikm, byte[] salt) throws Exception {
// 创建HKDF实例
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
// 配置参数：extract-only模式
HKDFParameterSpec.Extract spec = HKDFParameterSpec.ofExtract()
.extractOnly()
.salt(salt) // 盐值
.ikm(ikm); // 输入密钥材料
// 派生伪随机密钥（PRK）
byte[] prk = kdf.deriveData(spec);
// 转换为SecretKey
return new SecretKeySpec(prk, "AES");
}
Expand阶段
Expand阶段从伪随机密钥（PRK）和上下文信息（info）扩展出指定长度的密钥材料。
// Expand-only模式示例
public SecretKey expandKey(SecretKey prk, byte[] info, int length) throws Exception {
// 创建HKDF实例
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
// 配置参数：expand-only模式
HKDFParameterSpec.Expand spec = HKDFParameterSpec.expandOnly(
prk, // 伪随机密钥（PRK）
info, // 上下文信息
length // 派生密钥长度（位）
);
// 派生密钥
return kdf.deriveKey("AES", spec);
}
Extract-then-expand模式
Extract-then-expand模式先执行extract，再执行expand，是最常用的模式。
// Extract-then-expand模式示例
public SecretKey deriveKey(byte[] ikm, byte[] salt, byte[] info, int length) throws Exception {
// 创建HKDF实例
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
// 配置参数：extract-then-expand模式
HKDFParameterSpec.ExtractThenExpand spec = HKDFParameterSpec.ofExtract()
.thenExpand(info, length) // 先extract，再expand
.salt(salt) // 盐值
.ikm(ikm); // 输入密钥材料
// 派生密钥
return kdf.deriveKey("AES", spec);
}
量子安全准备
JEP 478的一个重要目标是量子安全准备。虽然现在量子计算机还没普及，但威胁已经来了。传统的加密算法，比如RSA、ECC，在量子计算机面前不堪一击，现有的加密体系可能都要重来。
密钥派生函数API为后量子密码学做准备，未来可能会支持更多量子安全的算法。虽然现在只支持HKDF，但API设计是通用的，可以扩展支持其他算法。
后量子密码学
后量子密码学（Post-Quantum Cryptography）是研究在量子计算机威胁下仍然安全的密码算法。虽然现在量子计算机还没普及，但数据要存几十年，现在加密的数据，等量子计算机普及了可能就被破解了，得提前准备。
密钥派生函数API为后量子密码学做准备，未来可能会支持更多量子安全的算法，比如基于格的密钥派生函数、基于哈希的密钥派生函数等。
最佳实践
用密钥派生函数API的时候，鹏磊我建议注意这么几点：
1. 使用强盐值
盐值要随机生成，长度要足够，至少16字节。盐值可以公开，但要保证唯一性，不能重复使用。
// 推荐：使用强盐值
public byte[] generateStrongSalt() {
SecureRandom random = new SecureRandom();
byte[] salt = new byte[32]; // 32字节盐值
random.nextBytes(salt);
return salt;
}
// 不推荐：使用弱盐值
public byte[] generateWeakSalt() {
return "weak-salt".getBytes(); // 固定盐值，不安全
}
2. 使用合适的上下文信息
上下文信息（info）要包含应用特定的信息，比如用途、版本号等，确保不同用途派生出的密钥不同。
// 推荐：使用合适的上下文信息
public byte[] createContext(String purpose, String version) {
return (purpose + ":" + version).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
}
// 不推荐：使用空上下文
public byte[] createEmptyContext() {
return new byte[0]; // 空上下文，不安全
}
3. 派生密钥长度要足够
派生密钥长度要足够，至少128位（16字节），推荐256位（32字节）。密钥长度不够，安全性就下来了。
// 推荐：使用足够的密钥长度
public SecretKey deriveKey(byte[] ikm, byte[] salt, byte[] info) throws Exception {
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
HKDFParameterSpec.ExtractThenExpand spec = HKDFParameterSpec.ofExtract()
.thenExpand(info, 256) // 256位密钥
.salt(salt)
.ikm(ikm);
return kdf.deriveKey("AES", spec);
}
// 不推荐：使用过短的密钥长度
public SecretKey deriveShortKey(byte[] ikm, byte[] salt, byte[] info) throws Exception {
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
HKDFParameterSpec.ExtractThenExpand spec = HKDFParameterSpec.ofExtract()
.thenExpand(info, 64) // 64位密钥，太短
.salt(salt)
.ikm(ikm);
return kdf.deriveKey("AES", spec);
}
4. 启用预览特性
JEP 478是预览特性，需要在编译和运行时启用预览特性。
# 编译时启用预览特性
javac --enable-preview --release 24 MyClass.java
# 运行时启用预览特性
java --enable-preview MyClass
5. 处理异常
密钥派生可能抛出异常，要正确处理。NoSuchAlgorithmException表示算法不支持，InvalidAlgorithmParameterException表示参数无效。
// 推荐：正确处理异常
public SecretKey deriveKeySafely(byte[] ikm, byte[] salt, byte[] info) {
try {
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF");
HKDFParameterSpec.ExtractThenExpand spec = HKDFParameterSpec.ofExtract()
.thenExpand(info, 256)
.salt(salt)
.ikm(ikm);
return kdf.deriveKey("AES", spec);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
// 算法不支持，可能是预览特性未启用
throw new RuntimeException("HKDF算法不支持，请启用预览特性", e);
} catch (InvalidAlgorithmParameterException e) {
// 参数无效
throw new RuntimeException("密钥派生参数无效", e);
} catch (Exception e) {
// 其他异常
throw new RuntimeException("密钥派生失败", e);
}
}
常见问题
Q1: 密钥派生函数API什么时候会正式发布？
目前还是预览版，没有明确的时间表。等API稳定了，可能会正式发布。建议关注JDK更新，及时了解最新进展。
Q2: 密钥派生函数API支持哪些算法？
目前只支持HKDF，未来可能会支持更多算法。API设计是通用的，可以扩展支持其他算法。
Q3: 密钥派生函数API和PBKDF2有什么区别？
PBKDF2是老算法，虽然还能用，但安全性不如新算法。密钥派生函数API提供了统一的API，支持HKDF等新算法，安全性更好。
Q4: 密钥派生函数API适合哪些场景？
适合密钥管理、密码加密、安全通信等场景。特别是需要从主密钥派生出多个子密钥的场景，用起来很方便。
Q5: 如何启用预览特性？
需要在编译和运行时加上--enable-preview参数。Maven和Gradle也需要配置才能支持预览特性。
总结
密钥派生函数API（JEP 478）是JDK 24引入的一个预览特性，提供了统一的密钥派生函数API，支持HKDF算法，为量子安全做准备。虽然现在还是预览版，但已经能看到Java在朝着后量子密码学的方向发展了。
特别适合密钥管理、密码加密、安全通信等场景，特别是需要从主密钥派生出多个子密钥的场景，用起来很方便。
使用要注意使用强盐值、合适的上下文信息、足够的密钥长度、启用预览特性、处理异常。虽然现在只支持HKDF，但API设计是通用的，未来可能会支持更多量子安全的算法。
虽然现在是预览版，但已经能看到Java在朝着后量子密码学的方向发展了。兄弟们可以提前了解了解，等正式发布了就能直接用上了。量子安全是个长期工作，能提前准备就提前准备，等量子计算机普及了再准备就晚了。