Java加解密技术系列之RSA详解

距离上一次写博客感觉已经很长时间了，先吐槽一下，这个月以来，公司一直在加班，又是发版、上线，又是新项目太紧，具体的就不多说了。今天来说说非对称加密真的是太重要了，我们的日常生活中，都离不开非对称加密。

概念

在说 RSA 之前，首先聊聊什么是非对称加密。在讲对称加密的时候，就曾经说过，对称加密算法在加密和解密时使用的是同一个秘钥，加解密双方必须使用同一个密钥才能进行正常的沟通。而非对称加密则不然，非对称加密算法需要两个密钥来进行加密和解密，分别是公钥和私钥。

需要注意的一点，这个公钥和私钥必须是一对的，如果用公钥对数据进行加密，那么只有使用对应的私钥才能解密，反之亦然。由于加密和解密使用的是两个不同的密钥，因此，这种算法叫做非对称加密算法。

工作过程

如下图，甲乙之间使用非对称加密的方式传输数据。

在非对称加密中使用的主要算法有：RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）等。今天主要是介绍 RSA ，至于其他的算法，后续会选择几个进行介绍。

RSA

其实，在早在 1978 年的时候，RSA就已经出现了，它是第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法。它易于理解和操作，也很流行。其原理就如上面的工作过程所述。

RSA 算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。

代码实现

下面来看一下具体的代码实现。

import com.google.common.collect.Maps;
import sun.misc.BASE64Decoder;
import sun.misc.BASE64Encoder; 

import javax.crypto.Cipher;
import java.security.*;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Map; 

/**
 * Created by xiang.li on 2015/3/3.
 * RSA 加解密工具类
 */
public class RSA {
  /**
   * 定义加密方式
   */
  private final static String KEY_RSA = "RSA";
  /**
   * 定义签名算法
   */
  private final static String KEY_RSA_SIGNATURE = "MD5withRSA";
  /**
   * 定义公钥算法
   */
  private final static String KEY_RSA_PUBLICKEY = "RSAPublicKey";
  /**
   * 定义私钥算法
   */
  private final static String KEY_RSA_PRIVATEKEY = "RSAPrivateKey"; 

  /**
   * 初始化密钥
   * @return
   */
  public static Map<String, Object> init() {
    Map<String, Object> map = null;
    try {
      KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_RSA);
      generator.initialize(1024);
      KeyPair keyPair = generator.generateKeyPair();
      // 公钥
      RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
      // 私钥
      RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
      // 将密钥封装为map
      map = Maps.newHashMap();
      map.put(KEY_RSA_PUBLICKEY, publicKey);
      map.put(KEY_RSA_PRIVATEKEY, privateKey);
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return map;
  } 

  /**
   * 用私钥对信息生成数字签名
   * @param data 加密数据
   * @param privateKey 私钥
   * @return
   */
  public static String sign(byte[] data, String privateKey) {
    String str = "";
    try {
      // 解密由base64编码的私钥
      byte[] bytes = decryptBase64(privateKey);
      // 构造PKCS8EncodedKeySpec对象
      PKCS8EncodedKeySpec pkcs = new PKCS8EncodedKeySpec(bytes);
      // 指定的加密算法
      KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance(KEY_RSA);
      // 取私钥对象
      PrivateKey key = factory.generatePrivate(pkcs);
      // 用私钥对信息生成数字签名
      Signature signature = Signature.getInstance(KEY_RSA_SIGNATURE);
      signature.initSign(key);
      signature.update(data);
      str = encryptBase64(signature.sign());
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return str;
  } 

  /**
   * 校验数字签名
   * @param data 加密数据
   * @param publicKey 公钥
   * @param sign 数字签名
   * @return 校验成功返回true，失败返回false
   */
  public static boolean verify(byte[] data, String publicKey, String sign) {
    boolean flag = false;
    try {
      // 解密由base64编码的公钥
      byte[] bytes = decryptBase64(publicKey);
      // 构造X509EncodedKeySpec对象
      X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(bytes);
      // 指定的加密算法
      KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance(KEY_RSA);
      // 取公钥对象
      PublicKey key = factory.generatePublic(keySpec);
      // 用公钥验证数字签名
      Signature signature = Signature.getInstance(KEY_RSA_SIGNATURE);
      signature.initVerify(key);
      signature.update(data);
      flag = signature.verify(decryptBase64(sign));
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return flag;
  } 

  /**
   * 私钥解密
   * @param data 加密数据
   * @param key 私钥
   * @return
   */
  public static byte[] decryptByPrivateKey(byte[] data, String key) {
    byte[] result = null;
    try {
      // 对私钥解密
      byte[] bytes = decryptBase64(key);
      // 取得私钥
      PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(bytes);
      KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance(KEY_RSA);
      PrivateKey privateKey = factory.generatePrivate(keySpec);
      // 对数据解密
      Cipher cipher = Cipher.getInstance(factory.getAlgorithm());
      cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
      result = cipher.doFinal(data);
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return result;
  } 

  /**
   * 私钥解密
   * @param data 加密数据
   * @param key 公钥
   * @return
   */
  public static byte[] decryptByPublicKey(byte[] data, String key) {
    byte[] result = null;
    try {
      // 对公钥解密
      byte[] bytes = decryptBase64(key);
      // 取得公钥
      X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(bytes);
      KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance(KEY_RSA);
      PublicKey publicKey = factory.generatePublic(keySpec);
      // 对数据解密
      Cipher cipher = Cipher.getInstance(factory.getAlgorithm());
      cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);
      result = cipher.doFinal(data);
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return result;
  } 

  /**
   * 公钥加密
   * @param data 待加密数据
   * @param key 公钥
   * @return
   */
  public static byte[] encryptByPublicKey(byte[] data, String key) {
    byte[] result = null;
    try {
      byte[] bytes = decryptBase64(key);
      // 取得公钥
      X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(bytes);
      KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance(KEY_RSA);
      PublicKey publicKey = factory.generatePublic(keySpec);
      // 对数据加密
      Cipher cipher = Cipher.getInstance(factory.getAlgorithm());
      cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
      result = cipher.doFinal(data);
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return result;
  } 

  /**
   * 私钥加密
   * @param data 待加密数据
   * @param key 私钥
   * @return
   */
  public static byte[] encryptByPrivateKey(byte[] data, String key) {
    byte[] result = null;
    try {
      byte[] bytes = decryptBase64(key);
      // 取得私钥
      PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(bytes);
      KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance(KEY_RSA);
      PrivateKey privateKey = factory.generatePrivate(keySpec);
      // 对数据加密
      Cipher cipher = Cipher.getInstance(factory.getAlgorithm());
      cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
      result = cipher.doFinal(data);
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return result;
  } 

  /**
   * 获取公钥
   * @param map
   * @return
   */
  public static String getPublicKey(Map<String, Object> map) {
    String str = "";
    try {
      Key key = (Key) map.get(KEY_RSA_PUBLICKEY);
      str = encryptBase64(key.getEncoded());
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return str;
  } 

  /**
   * 获取私钥
   * @param map
   * @return
   */
  public static String getPrivateKey(Map<String, Object> map) {
    String str = "";
    try {
      Key key = (Key) map.get(KEY_RSA_PRIVATEKEY);
      str = encryptBase64(key.getEncoded());
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return str;
  } 

  /**
   * BASE64 解密
   * @param key 需要解密的字符串
   * @return 字节数组
   * @throws Exception
   */
  public static byte[] decryptBase64(String key) throws Exception {
    return (new BASE64Decoder()).decodeBuffer(key);
  } 

  /**
   * BASE64 加密
   * @param key 需要加密的字节数组
   * @return 字符串
   * @throws Exception
   */
  public static String encryptBase64(byte[] key) throws Exception {
    return (new BASE64Encoder()).encodeBuffer(key);
  } 

  /**
   * 测试方法
   * @param args
   */
  public static void main(String[] args) {
    String privateKey = "";
    String publicKey = "";
    // 生成公钥私钥
    Map<String, Object> map = init();
    publicKey = getPublicKey(map);
    privateKey = getPrivateKey(map);
    System.out.println("公钥: \n\r" + publicKey);
    System.out.println("私钥： \n\r" + privateKey);
    System.out.println("公钥加密--------私钥解密");
    String word = "你好，世界！";
    byte[] encWord = encryptByPublicKey(word.getBytes(), publicKey);
    String decWord = new String(decryptByPrivateKey(encWord, privateKey));
    System.out.println("加密前: " + word + "\n\r" + "解密后: " + decWord);
    System.out.println("私钥加密--------公钥解密");
    String english = "Hello, World!";
    byte[] encEnglish = encryptByPrivateKey(english.getBytes(), privateKey);
    String decEnglish = new String(decryptByPublicKey(encEnglish, publicKey));
    System.out.println("加密前: " + english + "\n\r" + "解密后: " + decEnglish);
    System.out.println("私钥签名——公钥验证签名");
    // 产生签名
    String sign = sign(encEnglish, privateKey);
    System.out.println("签名:\r" + sign);
    // 验证签名
    boolean status = verify(encEnglish, publicKey, sign);
    System.out.println("状态:\r" + status);
  }
}

加解密结果

结束语

其实，看似很复杂的过程，用一句话就可以描述：使用公钥加密、私钥解密，完成了乙方到甲方的一次数据传递，通过私钥加密、公钥解密，同时通过私钥签名、公钥验证签名，完成了一次甲方到乙方的数据传递与验证，两次数据传递完成一整套的数据交互。

非对称加密算法的出现，就是为了解决只有一把密钥的加解密，只要这一把密钥丢失或者被公开，那么加密数据就很容易被攻击。同时，也正是由于非对称加密算法的出现，才有了后面的数字签名、数字证书等等。

好了，今天就到这吧，下一篇继续非对称加密，至于哪一种，到时候就知道了，这里先保密