教你用Java实现RSA非对称加密算法

一、非对称加密

非对称加密算法是一种密钥的保密方法。

非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥（publickey:简称公钥）和私有密钥（privatekey:简称私钥）。公钥与私钥是一对，如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密。因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法叫作非对称加密算法。 非对称加密算法实现机密信息交换的基本过程是：甲方生成一对密钥并将公钥公开，需要向甲方发送信息的其他角色(乙方)使用该密钥(甲方的公钥)对机密信息进行加密后再发送给甲方；甲方再用自己私钥对加密后的信息进行解密。甲方想要回复乙方时正好相反，使用乙方的公钥对数据进行加密，同理，乙方使用自己的私钥来进行解密。

另一方面，甲方可以使用自己的私钥对机密信息进行签名后再发送给乙方；乙方再用甲方的公钥对甲方发送回来的数据进行验签。

甲方只能用其私钥解密由其公钥加密后的任何信息。 非对称加密算法的保密性比较好，它消除了最终用户交换密钥的需要。

非对称密码体质的特点：算法强度复杂、安全性依赖于算法与密钥但是由于其算法复杂，而使得加密解密速度没有对称加密解密的速度快。对称密码体制中只有一种密钥，并且是非公开的，如果要解密就得让对方知道密钥。所以保证其安全性就是保证密钥的安全，而非对称密钥体制有两种密钥，其中一个是公开的，这样就可以不需要像对称密码那样传输对方的密钥了。这样安全性就大了很多。

二、RSA算法

简介:

RSA公开密钥密码体质是一种使用不同的加密密钥与解密密钥，“由已知加密密钥推导出解密密钥在计算上是不可行的”密码体制 。

在公开密钥密码体制中，加密密钥（即公开密钥）PK是公开信息，而解密密钥（即秘密密钥）SK是需要保密的。加密算法E和解密算法D也都是公开的。虽然解密密钥SK是由公开密钥PK决定的，但却不能根据PK计算出SK 。

正是基于这种理论，1978年出现了著名的RSA算法，它通常是先生成一对RSA密钥，其中之一是保密密钥，由用户保存；另一个为公开密钥，可对外公开，甚至可在网络服务器中注册。为提高保密强度，RSA密钥至少为500位长，一般推荐使用1024位。这就使加密的计算量很大。为减少计算量，在传送信息时，常采用传统加密方法与公开密钥加密方法相结合的方式，即信息采用改进的DES或IDEA对话密钥加密，然后使用RSA密钥加密对话密钥和信息摘要。对方收到信息后，用不同的密钥解密并可核对信息摘要 。

RSA是被研究得最广泛的公钥算法，从提出到现在已近三十年，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们接受，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。1983年麻省理工学院在美国为RSA算法申请了专利。

算法原理：

RSA公开密钥密码体制的原理是：根据数论，寻求两个大素数比较简单，而将它们的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 。

算法描述：

（1）任意选取两个不同的大素数p和q计算乘积

（2）任意选取一个大整数e，满足

整数e用做加密钥（注意：e的选取是很容易的，例如，所有大于p和q的素数都可用）

（3）确定的解密钥d，满足

即

是一个任意的整数；所以，若知道e和则很容易计算出d

（4）公开整数n和e，秘密保存d

（5）将明文m（m<n是一个整数）加密成密文c，加密算法为

（6）将密文c解密为明文m，解密算法为

RSA允许你选择公钥的大小。512位的密钥被视为不安全的；768位的密钥不用担心受到除了国家安全管理（NSA）外的其他事物的危害；1024位的密钥几乎是安全的。RSA在一些主要产品内部都有嵌入，像 Windows、网景 Navigator、 Quicken和 Lotus Notes 。

三、RSA算法Java语言实现

RSA算法工具类源码：

package com.ljt.rsa.util;

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

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

/**
 * @ClassName: RSAUtil
 * @Description:  RSA非对称加密算法工具类
 * @Author: 寒山月初°C
 * @Date 2021/5/16 17:47
 * @Version 1.0
 */

public class RSAUtil {

    public static final String CHARSET = "UTF-8";
    public static final String RSA_ALGORITHM = "RSA";

    public static Map<String, String> createKeys(int keySize){
        //为RSA算法创建一个KeyPairGenerator对象（KeyPairGenerator，密钥对生成器，用于生成公钥和私钥对）
        KeyPairGenerator kpg;
        try{
            kpg = KeyPairGenerator.getInstance(RSA_ALGORITHM);
        }catch(NoSuchAlgorithmException e){
            throw new IllegalArgumentException("No such algorithm-->[" + RSA_ALGORITHM + "]");
        }

        //初始化KeyPairGenerator对象,密钥长度
        kpg.initialize(keySize);
        //生成密匙对
        KeyPair keyPair = kpg.generateKeyPair();
        //得到公钥
        Key publicKey = keyPair.getPublic();
        String publicKeyStr = Base64.encodeBase64URLSafeString(publicKey.getEncoded()); //返回一个publicKey经过二次加密后的字符串
        //得到私钥
        Key privateKey = keyPair.getPrivate();
        String privateKeyStr = Base64.encodeBase64URLSafeString(privateKey.getEncoded()); 返回一个privateKey经过二次加密后的字符串

        Map<String, String> keyPairMap = new HashMap<String, String>();
        keyPairMap.put("publicKey", publicKeyStr);
        keyPairMap.put("privateKey", privateKeyStr);

        return keyPairMap;
    }

    /**
     * 得到公钥
     * @param publicKey 密钥字符串（经过base64编码）
     * @throws Exception
     */
    public static RSAPublicKey getPublicKey(String publicKey) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {
        //通过X509编码的Key指令获得公钥对象
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(RSA_ALGORITHM);
        X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(Base64.decodeBase64(publicKey));
        RSAPublicKey key = (RSAPublicKey) keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
        return key;
    }

    /**
     * 得到私钥
     * @param privateKey 密钥字符串（经过base64编码）
     * @throws Exception
     */
    public static RSAPrivateKey getPrivateKey(String privateKey) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {
        //通过PKCS#8编码的Key指令获得私钥对象
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(RSA_ALGORITHM);
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(Base64.decodeBase64(privateKey));
        RSAPrivateKey key = (RSAPrivateKey) keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        return key;
    }

    /**
     * 公钥加密
     * @param data
     * @param publicKey
     * @return
     */
    public static String publicEncrypt(String data, RSAPublicKey publicKey){
        try{
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
            return Base64.encodeBase64URLSafeString(rsaSplitCodec(cipher, Cipher.ENCRYPT_MODE, data.getBytes(CHARSET), publicKey.getModulus().bitLength()));
        }catch(Exception e){
            throw new RuntimeException("加密字符串[" + data + "]时遇到异常", e);
        }
    }

    /**
     * 私钥解密
     * @param data
     * @param privateKey
     * @return
     */

    public static String privateDecrypt(String data, RSAPrivateKey privateKey){
        try{
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
            return new String(rsaSplitCodec(cipher, Cipher.DECRYPT_MODE, Base64.decodeBase64(data), privateKey.getModulus().bitLength()), CHARSET);
        }catch(Exception e){
            throw new RuntimeException("解密字符串[" + data + "]时遇到异常", e);
        }
    }

    /**
     * 私钥加密
     * @param data
     * @param privateKey
     * @return
     */

    public static String privateEncrypt(String data, RSAPrivateKey privateKey){
        try{
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
            return Base64.encodeBase64URLSafeString(rsaSplitCodec(cipher, Cipher.ENCRYPT_MODE, data.getBytes(CHARSET), privateKey.getModulus().bitLength()));
        }catch(Exception e){
            throw new RuntimeException("加密字符串[" + data + "]时遇到异常", e);
        }
    }

    /**
     * 公钥解密
     * @param data
     * @param publicKey
     * @return
     */

    public static String publicDecrypt(String data, RSAPublicKey publicKey){
        try{
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);
            return new String(rsaSplitCodec(cipher, Cipher.DECRYPT_MODE, Base64.decodeBase64(data), publicKey.getModulus().bitLength()), CHARSET);
        }catch(Exception e){
            throw new RuntimeException("解密字符串[" + data + "]时遇到异常", e);
        }
    }

    private static byte[] rsaSplitCodec(Cipher cipher, int opmode, byte[] datas, int keySize){
        int maxBlock = 0;
        if(opmode == Cipher.DECRYPT_MODE){
            maxBlock = keySize / 8;
        }else{
            maxBlock = keySize / 8 - 11;
        }
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
        int offSet = 0;
        byte[] buff;
        int i = 0;
        try{
            while(datas.length > offSet){
                if(datas.length-offSet > maxBlock){
                    buff = cipher.doFinal(datas, offSet, maxBlock);
                }else{
                    buff = cipher.doFinal(datas, offSet, datas.length-offSet);
                }
                out.write(buff, 0, buff.length);
                i++;
                offSet = i * maxBlock;
            }
        }catch(Exception e){
            throw new RuntimeException("加解密阀值为["+maxBlock+"]的数据时发生异常", e);
        }
        byte[] resultDatas = out.toByteArray();
        IOUtils.closeQuietly(out);
        return resultDatas;
    }
}

编写测试类：

class Test{
    public static void main (String[] args) throws Exception {
        Map<String, String> keyMap = RSAUtil.createKeys(1024);
        String  publicKey = keyMap.get("publicKey");
        String  privateKey = keyMap.get("privateKey");
        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 str = "寒山月初℃";
        System.out.println("\r明文：\r\n" + str);
        System.out.println("\r明文大小：\r\n" + str.getBytes().length);
        String encodedData = RSAUtil.publicEncrypt(str, RSAUtil.getPublicKey(publicKey));
        System.out.println("密文：\r\n" + encodedData);
        String decodedData = RSAUtil.privateDecrypt(encodedData, RSAUtil.getPrivateKey(privateKey));
        System.out.println("解密后文字: \r\n" + decodedData);
    }

}

运行结果：

公钥:
MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQCyrF0HBVsYdA2fTy1iYIWh7j1OoCDzLiBWomWO3Ngn1ajl2wSPk05E7yINxLiTaQSA0H86EWv0jRJrGSdg6kwqzhWv53hza4xEXozLNgDR5L0bxEAmtv1abFALwpMHMPr8NzbpvXHwNaHer6mBrhXDVuyPdgZkWuh0kLrpvXHetQIDAQAB
私钥：
MIICdgIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCAmAwggJcAgEAAoGBALKsXQcFWxh0DZ9PLWJghaHuPU6gIPMuIFaiZY7c2CfVqOXbBI-TTkTvIg3EuJNpBIDQfzoRa_SNEmsZJ2DqTCrOFa_neHNrjERejMs2ANHkvRvEQCa2_VpsUAvCkwcw-vw3Num9cfA1od6vqYGuFcNW7I92BmRa6HSQuum9cd61AgMBAAECgYA5KNch9d6stgPdoVDdlg9qPHM0ghnIcks6K_3ddF1acQn1btnIrNFvUClOyk5aKlCcfRcWlpg4xiDMTmHAqXPv_H2AQTqqLdhKC6cz0AZDuiv_itO40rqmvi9n0lcJWP0zq3cJyNlE8ogNsb9heHn_XdPIxD4tdl3QztZQHBfOgQJBAObDr9SBD0EsiGCeULMEj-hEOHsMh0NANpHvNdzKj9xNb28fAZ4H8reRG5frUqpCSTkxgigBwsMhYeQu_ebNoAUCQQDGNl8iVw219K0e3Awwd7TUmM8Ugt8intD1rbYObsYDZlss6rzsm0XzUgkJE9X6xcdu_O5jWZ49mgC3i-jg7HLxAkBZ9h283VdiFAdSi0VwlK25YacXKUouCIF9oODBo2I0AygXDOJnhje0Imi8b-v5HgBHwKo6CH2x7nioKT2oVa81AkByl8KedtfNZ1yjJ7LAXqSj-IhYImVgfZLvRnOnmnFOS-HQcRGydP6W8smYfuhJ6Agp6X7k30317VAWzYNgbjLxAkEAvOYGU33Ll871QFzWTW8eHg1SJMP4oTL3jKuQi5lVMrZTWoCQF_wvuHKAKgIs0AzFwh5vrkNN1fv5QASzwtIGzg
公钥加密——私钥解密
明文：
寒山月初℃
明文大小：
15
密文：
pnQYCefqnlYLZ2wuMcxsbkD9feA3WFcDXShYx6HajvlsriQGWzb4Xxdwz0KTzjz3nqho9AxUc2bZmBhq05v-DCyB14u2NyabENuMXoiKft4QGKNVG3WxGps55xRHr3lVt4Rj59mDBX_manNsQDwxj7gy_Brv6Uv_NRzd6M91aGk
解密后文字:
寒山月初℃                                                                                                                                                                                      Process finished with exit code 0

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