常用数字签名算法RSA与DSA的Java程序内实现示例

RSA加密算法
我们来回顾一下RSA的加密算法。我们从公钥加密算法和签名算法的定义出发，用比较规范的语言来描述这一算法。
RSA公钥加密体制包含如下3个算法：KeyGen（密钥生成算法），Encrypt（加密算法）以及Decrypt（解密算法）。
密钥生成算法以安全常数作为输入，输出一个公钥PK，和一个私钥SK。安全常数用于确定这个加密算法的安全性有多高，一般以加密算法使用的质数p的大小有关。越大，质数p一般越大，保证体制有更高的安全性。在RSA中，密钥生成算法如下：算法首先随机产生两个不同大质数p和q，计算N=pq。随后，算法计算欧拉函数。接下来，算法随机选择一个小于的整数e，并计算e关于的模反元素d。最后，公钥为PK=(N, e)，私钥为SK=（N, d）。
加密算法以公钥PK和待加密的消息M作为输入，输出密文CT。在RSA中，加密算法如下：算法直接输出密文为
解密算法以私钥SK和密文CT作为输入，输出消息M。在RSA中，解密算法如下：算法直接输出明文为。由于e和d在下互逆，因此我们有：
所以，从算法描述中我们也可以看出：公钥用于对数据进行加密，私钥用于对数据进行解密。当然了，这个也可以很直观的理解：公钥就是公开的密钥，其公开了大家才能用它来加密数据。私钥是私有的密钥，谁有这个密钥才能够解密密文。否则大家都能看到私钥，就都能解密，那不就乱套了。
下面就来看一下Java中的简单实现：

package com.stone.security; 

import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.util.Arrays; 

import javax.crypto.Cipher; 

/**
 * RSA算法 公钥加密 非对称加密
 */
public class RSA {
 public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";
 public static final String CIPHER_ALGORITHM_ECB1 = "RSA/ECB/PKCS1Padding";
 public static final String CIPHER_ALGORITHM_ECB2 = "RSA/ECB/OAEPWithSHA-1AndMGF1Padding"; //不能用
 public static final String CIPHER_ALGORITHM_ECB3 = "OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding"; //不能用 

 static PublicKey publicKey;
 static PrivateKey privateKey;
 static Cipher cipher;
 static KeyPair keyPair; 

 public static void main(String[] args) throws Exception {
 method1("斯柯达U*(Sfsad7f()*^%%$");
 method2("斯柯达U*(Sfsad7f()*^%%$");
 method3("斯柯达U*(Sfsad7f()*^%%$"); 

 } 

 /**
 * 公钥加密，私钥解密 使用默认CIPHER_ALGORITHM_ECB1
 * @param str
 * @throws Exception
 */
 static void method1(String str) throws Exception {
 KeyPairGenerator keyGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
 KeyPair keyPair = keyGenerator.generateKeyPair();
 publicKey = keyPair.getPublic();
 privateKey = keyPair.getPrivate();
 cipher = Cipher.getInstance(KEY_ALGORITHM);
 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey); //公钥加密
 byte[] encrypt = cipher.doFinal(str.getBytes());
 System.out.println("公钥加密后1：" + Arrays.toString(encrypt)); 

 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);//私钥解密
 byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt);
 System.out.println("私钥解密后1：" + new String(decrypt));
 } 

 /**
 * 私钥加密，公钥解密 使用默认CIPHER_ALGORITHM_ECB1
 * @param str
 * @throws Exception
 */
 static void method2(String str) throws Exception {
 KeyPairGenerator keyGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
 KeyPair keyPair = keyGenerator.generateKeyPair();
 publicKey = keyPair.getPublic();
 privateKey = keyPair.getPrivate();
 cipher = Cipher.getInstance(KEY_ALGORITHM);
 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey); //私钥加密
 byte[] encrypt = cipher.doFinal(str.getBytes());
 System.out.println("私钥加密后2：" + Arrays.toString(encrypt)); 

 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);//公钥解密
 byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt);
 System.out.println("公钥解密后2：" + new String(decrypt));
 } 

 /**
 * 私钥加密，公钥解密 使用CIPHER_ALGORITHM_ECB1 = RSA/ECB/PKCS1Padding
 * @param str
 * @throws Exception
 */
 static void method3(String str) throws Exception {
 KeyPairGenerator keyGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
 KeyPair keyPair = keyGenerator.generateKeyPair();
 publicKey = keyPair.getPublic();
 privateKey = keyPair.getPrivate();
 cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM_ECB1);
 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey); //私钥加密
 byte[] encrypt = cipher.doFinal(str.getBytes());
 System.out.println("私钥加密后3：" + Arrays.toString(encrypt)); 

 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);//公钥解密
 byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt);
 System.out.println("公钥解密后3：" + new String(decrypt));
 }
}

DSA算法和数字签名
DSA 一般用于数字签名和认证。
DSA是Schnorr和ElGamal签名算法的变种，被美国NIST作为DSS(DigitalSignature Standard)。
DSA是基于整数有限域离散对数难题的，其安全性与RSA相比差不多。
在DSA数字签名和认证中，发送者使用自己的私钥对文件或消息进行签名，接受者收到消息后使用发送者的公钥
来验证签名的真实性。DSA只是一种算法，和RSA不同之处在于它不能用作加密和解密，也不能进行密钥交换，
只用于签名,它比RSA要快很多.

package com.stone.security; 

import java.security.Key;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.Signature;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map; 

import sun.misc.BASE64Decoder;
import sun.misc.BASE64Encoder; 

/**
 * DSA-Digital Signature Algorithm 是Schnorr和ElGamal签名算法的变种，被美国NIST作为DSS(DigitalSignature Standard)。
 * 简单的说，这是一种更高级的验证方式，用作数字签名。不单单只有公钥、私钥，还有数字签名。私钥加密生成数字签名，公钥验证数据及签名。
 * 如果数据和签名不匹配则认为验证失败！即 传输中的数据 可以不再加密，接收方获得数据后，拿到公钥与签名 验证数据是否有效
 */
public class DSA {
 /**
 *不仅可以使用DSA算法，同样也可以使用RSA算法做数字签名
 */
 public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";
 public static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "MD5withRSA";*/ 

 public static final String KEY_ALGORITHM = "DSA";
 public static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "DSA"; 

 public static final String DEFAULT_SEED = "$%^*%^()(HJG8awfjas7"; //默认种子
 public static final String PUBLIC_KEY = "DSAPublicKey";
 public static final String PRIVATE_KEY = "DSAPrivateKey"; 

 public static void main(String[] args) throws Exception {
 String str = "!@#$!#^$#&ZXVDF呆军工路爱着你*()_+";
 byte[] data = str.getBytes(); 

 Map<String, Object> keyMap = initKey();// 构建密钥
 PublicKey publicKey = (PublicKey) keyMap.get(PUBLIC_KEY);
 PrivateKey privateKey = (PrivateKey) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
 System.out.println("私钥format：" + privateKey.getFormat());
 System.out.println("公钥format：" + publicKey.getFormat()); 

 // 产生签名
 String sign = sign(data, getPrivateKey(keyMap)); 

 // 验证签名
 boolean verify1 = verify("aaa".getBytes(), getPublicKey(keyMap), sign);
 System.err.println("经验证 数据和签名匹配:" + verify1); 

 boolean verify = verify(data, getPublicKey(keyMap), sign);
 System.err.println("经验证 数据和签名匹配:" + verify);
 } 

 /**
 * 生成密钥
 *
 * @param seed 种子
 * @return 密钥对象
 * @throws Exception
 */
 public static Map<String, Object> initKey(String seed) throws Exception {
 System.out.println("生成密钥"); 

 KeyPairGenerator keygen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
 SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
 secureRandom.setSeed(seed.getBytes());
 //Modulus size must range from 512 to 1024 and be a multiple of 64
 keygen.initialize(640, secureRandom); 

 KeyPair keys = keygen.genKeyPair();
 PrivateKey privateKey = keys.getPrivate();
 PublicKey publicKey = keys.getPublic(); 

 Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>(2);
 map.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
 map.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
 return map;
 } 

 /**
 * 生成默认密钥
 *
 * @return 密钥对象
 * @throws Exception
 */
 public static Map<String, Object> initKey() throws Exception {
 return initKey(DEFAULT_SEED);
 } 

 /**
 * 取得私钥
 *
 * @param keyMap
 * @return
 * @throws Exception
 */
 public static String getPrivateKey(Map<String, Object> keyMap) throws Exception {
 Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
 return encryptBASE64(key.getEncoded()); //base64加密私钥
 } 

 /**
 * 取得公钥
 *
 * @param keyMap
 * @return
 * @throws Exception
 */
 public static String getPublicKey(Map<String, Object> keyMap) throws Exception {
 Key key = (Key) keyMap.get(PUBLIC_KEY);
 return encryptBASE64(key.getEncoded()); //base64加密公钥
 } 

 /**
 * 用私钥对信息进行数字签名
 * @param data 加密数据
 * @param privateKey 私钥-base64加密的
 * @return
 * @throws Exception
 */
 public static String sign(byte[] data, String privateKey) throws Exception {
 System.out.println("用私钥对信息进行数字签名"); 

 byte[] keyBytes = decryptBASE64(privateKey);
 PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
 KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
 PrivateKey priKey = factory.generatePrivate(keySpec);//生成 私钥 

 //用私钥对信息进行数字签名
 Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
 signature.initSign(priKey);
 signature.update(data);
 return encryptBASE64(signature.sign());
 } 

 /**
 * BASE64Encoder 加密
 * @param data 要加密的数据
 * @return 加密后的字符串
 */
 private static String encryptBASE64(byte[] data) {
 BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
 String encode = encoder.encode(data);
 return encode;
 } 

 /**
 * BASE64Decoder 解密
 * @param data 要解密的字符串
 * @return 解密后的byte[]
 * @throws Exception
 */
 private static byte[] decryptBASE64(String data) throws Exception {
 BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder();
 byte[] buffer = decoder.decodeBuffer(data);
 return buffer;
 } 

 /**
 * 校验数字签名
 * @param data 加密数据
 * @param publicKey
 * @param sign 数字签名
 * @return
 * @throws Exception
 */
 public static boolean verify(byte[] data, String publicKey, String sign) throws Exception {
 byte[] keyBytes = decryptBASE64(publicKey);
 X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
 PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(keySpec); 

 Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
 signature.initVerify(pubKey);
 signature.update(data); 

 return signature.verify(decryptBASE64(sign)); //验证签名
 } 

}