详解RSA加密算法的原理与Java实现

2022-11-13 18:11:44 原理详解加密算法

对称加密和非对称加密

在说 RSA 之前，我们得先来说说这个什么事对称加密，什么又是非对称加密？

对称加密指的就是加密和解密使用同一个秘钥，所以叫对称加密。对称加密只有一个秘钥，作为私钥。

非对称加密指的是：加密和解密使用不同的秘钥，一把作为公开的公钥，另一把作为私钥。公钥加密的信息，只有私钥才能解密。

那么对称加密和非对称加密之间又有什么区别呢？

对称加密中加密和解密使用的秘钥是同一个；非对称加密中采用两个密钥，一般使用公钥进行加密，私钥进行解密。
对称加密解密的速度比较快，非对称加密和解密花费的时间长、速度相对较慢。
对称加密的安全性相对较低，非对称加密的安全性较高。

今天我们来讲的就是非对称加密中的 RSA 加密。

RSA加密是什么

RSA加密是一种非对称加密。可以在不直接传递密钥的情况下，完成解密。这能够确保信息的安全性，避免了直接传递密钥所造成的被破解的风险。是由一对密钥来进行加解密的过程，分别称为公钥和私钥。

通常情况下个人保存私钥，公钥是公开的（可能同时多人持有）。

虽然私钥是根据公钥决定的，但是，我们是没有办法根据公钥来推算出私钥来的。

为提高保密强度，RSA密钥至少为500位长。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的加密过程

RSA的加密过程其实并不复杂，

（1）A生成一对密钥（公钥和私钥），私钥不公开，A自己保留。公钥为公开的，任何人可以获取。

（2）A传递自己的公钥给B，B用A的公钥对消息进行加密。

（3）A接收到B加密的消息，利用A自己的私钥对消息进行解密。

在这个过程中，只有2次传递过程，第一次是A传递公钥给B，第二次是B传递加密消息给A，即使都被其他人截获，也没有危险性，因为只有A的私钥才能对消息进行解密，防止了消息内容的泄露。

但是大家有没有想过，如果我们的消息被截获了，虽然没有被解密出来，但是如果说我们的公钥被拦截，然后将假指令进行加密，然后传递给A，这不就凉凉了？那数据是不是就不能称之为安全了？

不，RSA还有签名的过程。

签名过程如下：

（1）A生成一对密钥（公钥和私钥），私钥不公开，A自己保留。公钥为公开的，任何人可以获取。

（2）A用自己的私钥对消息加签，形成签名，并将加签的消息和消息本身一起传递给B。

（3）B收到消息后，在获取A的公钥进行验签，如果验签出来的内容与消息本身一致，证明消息是A回复的。

但是问题又来了，虽然截获的消息不能被篡改，但是消息的内容可以利用公钥验签来获得，并不能防止泄露。

那么应该怎么用呢？

其实这就显的并不是很好理解了我们是不是可以这么设计：

A和B都有一套自己的公钥和私钥，当A要给B发送消息时，先用B的公钥对消息加密，再对加密的消息使用A的私钥加签名，达到既不泄露也不被篡改，更能保证消息的安全性。

那么 Java 代码怎么实现 RSA 的呢？代码如下：

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.Signature;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import javax.crypto.Cipher;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;

public class TestRSA {

    
    private static final int MAX_ENCRYPT_BLOCK = 117;

    
    private static final int MAX_DECRYPT_BLOCK = 128;

    
    public static KeyPair geTKEyPair() throws Exception {
        KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        generator.initialize(1024);
        return generator.generateKeyPair();
    }

    
    public static PrivateKey getPrivateKey(String privateKey) throws Exception {
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        byte[] decodedKey = Base64.decodeBase64(privateKey.getBytes());
        PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(decodedKey);
        return keyFactory.generatePrivate(keySpec);
    }

    
    public static PublicKey getPublicKey(String publicKey) throws Exception {
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        byte[] decodedKey = Base64.decodeBase64(publicKey.getBytes());
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(decodedKey);
        return keyFactory.generatePublic(keySpec);
    }

    
    public static String encrypt(String data, PublicKey publicKey) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
        int inputLen = data.getBytes().length;
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
        int offset = 0;
        byte[] cache;
        int i = 0;
        // 对数据分段加密
        while (inputLen - offset > 0) {
            if (inputLen - offset > MAX_ENCRYPT_BLOCK) {
                cache = cipher.doFinal(data.getBytes(), offset, MAX_ENCRYPT_BLOCK);
            } else {
                cache = cipher.doFinal(data.getBytes(), offset, inputLen - offset);
            }
            out.write(cache, 0, cache.length);
            i++;
            offset = i * MAX_ENCRYPT_BLOCK;
        }
        byte[] encryptedData = out.toByteArray();
        out.close();
        // 获取加密内容使用base64进行编码,并以UTF-8为标准转化成字符串
        // 加密后的字符串
        return new String(Base64.encodeBase64String(encryptedData));
    }

    
    public static String decrypt(String data, PrivateKey privateKey) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        byte[] dataBytes = Base64.decodeBase64(data);
        int inputLen = dataBytes.length;
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
        int offset = 0;
        byte[] cache;
        int i = 0;
        // 对数据分段解密
        while (inputLen - offset > 0) {
            if (inputLen - offset > MAX_DECRYPT_BLOCK) {
                cache = cipher.doFinal(dataBytes, offset, MAX_DECRYPT_BLOCK);
            } else {
                cache = cipher.doFinal(dataBytes, offset, inputLen - offset);
            }
            out.write(cache, 0, cache.length);
            i++;
            offset = i * MAX_DECRYPT_BLOCK;
        }
        byte[] decryptedData = out.toByteArray();
        out.close();
        // 解密后的内容
        return new String(decryptedData, "UTF-8");
    }

    
    public static String sign(String data, PrivateKey privateKey) throws Exception {
        byte[] keyBytes = privateKey.getEncoded();
        PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        PrivateKey key = keyFactory.generatePrivate(keySpec);
        Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
        signature.initSign(key);
        signature.update(data.getBytes());
        return new String(Base64.encodeBase64(signature.sign()));
    }

    
    public static boolean verify(String srcData, PublicKey publicKey, String sign) throws Exception {
        byte[] keyBytes = publicKey.getEncoded();
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        PublicKey key = keyFactory.generatePublic(keySpec);
        Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
        signature.initVerify(key);
        signature.update(srcData.getBytes());
        return signature.verify(Base64.decodeBase64(sign.getBytes()));
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 生成密钥对
            KeyPair keyPair = getKeyPair();
            String privateKey = new String(Base64.encodeBase64(keyPair.getPrivate().getEncoded()));
            String publicKey = new String(Base64.encodeBase64(keyPair.getPublic().getEncoded()));
            System.out.println("私钥:" + privateKey);
            System.out.println("公钥:" + publicKey);
            // RSA加密
            String data = "待加密的文字内容";
            String encryptData = encrypt(data, getPublicKey(publicKey));
            System.out.println("加密后内容:" + encryptData);
            // RSA解密
            String decryptData = decrypt(encryptData, getPrivateKey(privateKey));
            System.out.println("解密后内容:" + decryptData);

            // RSA签名
            String sign = sign(data, getPrivateKey(privateKey));
            // RSA验签
            boolean result = verify(data, getPublicKey(publicKey), sign);
            System.out.print("验签结果:" + result);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.print("加解密异常");
        }
    }
}

同样，当我们看到 RSA 的 Java实现的时候，我们就看到了他的缺点，上来就先定义最大加密明文大小和最大解密密文大小，那么这个 117 是怎么来的？

Java 默认的 RSA 加密实现不允许明文长度超过密钥长度减去 11(单位是字节，也就是 byte)。也就是说，如果我们定义的密钥(我们可以通过 java.security.KeyPairGenerator.initialize(int keysize) 来定义密钥长度)长度为 1024(单位是位，也就是 bit)，生成的密钥长度就是 1024位 / 8位/字节 = 128字节，那么我们需要加密的明文长度不能超过 128字节 -11 字节 = 117字节。也就是说，我们最大能将 117 字节长度的明文进行加密，否则会出问题( javax.crypto.IllegalBlockSizeException: Data must not be longer than 53 bytes 的异常)。

那么我们使用 RSA 的时候应该注意什么内容呢？

1.加密的系统不要具备解密的功能，否则 RSA 可能不太合适，

因为这样即使黑客攻破了加密系统，他拿到的也只是一堆无法破解的密文数据。

2.生成密文的长度和明文长度无关，但明文长度不能超过密钥长度

不管明文长度是多少，RSA 生成的密文长度总是固定的。但是明文长度不能超过密钥长度。

也就是阿粉上面说的那个117字节数，不然就只能等着出现异常了。

到此这篇关于详解RSA加密算法的原理与Java实现的文章就介绍到这了,更多相关Java RSA加密算法内容请搜索以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持！

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