Java加密技术（四）非对称加密算法RSA

RSA 

    这样的算法1978年就出现了。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。也非常流行。算法的名字以发明者的名字命名：Ron Rivest, AdiShamir 和Leonard Adleman。

这样的加密算法的特点主要是密钥的变化，上文我们看到DES仅仅有一个密钥。相当于仅仅有一把钥匙。假设这把钥匙丢了，数据也就不安全了。RSA同一时候有两把钥匙，公钥与私钥。

同一时候支持数字签名。

数字签名的意义在于。对传输过来的数据进行校验。确保数据在传输project中不被改动。



流程分析：

1. 甲方构建密钥对儿，将公钥发布给乙方，将私钥保留。
2. 甲方使用私钥加密数据，然后用私钥对加密后的数据签名，发送给乙方签名以及加密后的数据。乙方使用公钥、签名来验证待解密数据是否有效，假设有效使用公钥对数据解密。
3. 乙方使用公钥加密数据，向甲方发送经过加密后的数据。甲方获得加密数据，通过私钥解密。

按如上步骤给出序列图，例如以下：

1. 
2. 
3. 

通过java代码实现例如以下：

package com.somnus.cipher;

import java.io.InputStream;
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.Signature;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Arrays;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

import javax.crypto.Cipher;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import org.apache.commons.codec.binary.Hex;

/** 非对称加密算法RSA
 * @Title: RsaEncrypt.java
 * @Description: TODO
 * @author Somnus
 * @date 2015年6月5日 下午2:02:44
 * @version V1.0
 */
public class RSAUtil {
    public static final String ALGORITHM = "RSA";
    public static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "MD5withRSA";  

    private static final String PUBLIC_KEY = "RSAPublicKey";
    private static final String PRIVATE_KEY = "RSAPrivateKey";  

    private static final String PUBLIC_KEY_PATH = "public.cer";
    private static final String PRIVATE_KEY_PATH = "private.key";

    /**
     * 用私钥对信息生成数字签名
     *
     * @param data
     *            加密数据
     * @param privateKey
     *            私钥
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String sign(String data) throws Exception {
        // 解密由base64编码的私钥
        byte[] keyBytes = Base64.decodeBase64(getPrivateKey());
        // 构造PKCS8EncodedKeySpec对象
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
        // ALGORITHM 指定的加密算法
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM);
        // 取私钥匙对象
        PrivateKey priKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        // 用私钥对信息生成数字签名
        Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
        signature.initSign(priKey);
        signature.update(Hex.decodeHex(data.toCharArray()));
        return Base64.encodeBase64String(signature.sign());
    }  

    /**
     * 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
     * @throws Exception
     *
     */
    public static boolean verify(String data,String sign)throws Exception {
        // 解密由base64编码的公钥
        byte[] keyBytes = Base64.decodeBase64(getPublicKey());
        // 构造X509EncodedKeySpec对象
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        // ALGORITHM 指定的加密算法
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM);
        // 取公钥匙对象
        PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(keySpec);
        Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
        signature.initVerify(pubKey);
        signature.update(Hex.decodeHex(data.toCharArray()));
        // 验证签名是否正常
        return signature.verify(Base64.decodeBase64(sign));
    }  

    /**
     * 解密<br>
     * 用私钥解密
     *
     * @param data
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String decryptByPrivateKey(String data)throws Exception {
        // 对密钥解密
        byte[] keyBytes = Base64.decodeBase64(getPrivateKey());
        // 取得私钥
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM);
        Key privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        //初始化Cipher对象，设置为解密模式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        // 运行解密操作
        byte[] buff = cipher.doFinal(Hex.decodeHex(data.toCharArray()));
        System.out.println(Arrays.toString(buff));
        return new String(buff);
    }  

    /**
     * 解密<br>
     * 用公钥解密
     *
     * @param data
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String decryptByPublicKey(String data)throws Exception {
        // 对密钥解密
        byte[] keyBytes = Base64.decodeBase64(getPublicKey());
        // 取得公钥
        X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM);
        Key publicKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
        //初始化Cipher对象，设置为解密模式
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);
        // 运行解密操作
        byte[] buff = cipher.doFinal(Hex.decodeHex(data.toCharArray()));
        System.out.println(Arrays.toString(buff));
        return new String(buff);
    }  

    /**
     * 加密<br>
     * 用公钥加密
     *
     * @param data
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String encryptByPublicKey(String data)throws Exception {
        // 对公钥解密
        byte[] keyBytes = Base64.decodeBase64(getPublicKey());
        // 取得公钥
        X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM);
        Key publicKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
        // 实例化Cipher对象，它用于完毕实际的加密操作
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
        byte[] buff = cipher.doFinal(data.getBytes());
        System.out.println(Arrays.toString(buff));
        // 运行加密操作。

加密后的结果通常都会用Base64编码进行传输
        return Hex.encodeHexString(buff);
    }  

    /**
     * 加密<br>
     * 用私钥加密
     *
     * @param data
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String encryptByPrivateKey(String data) throws Exception {
        // 对密钥解密
        byte[] keyBytes = Base64.decodeBase64(getPrivateKey());
        // 取得私钥
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM);
        Key privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        // 对数据加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
        byte[] buff = cipher.doFinal(data.getBytes());
        System.out.println(Arrays.toString(buff));
        // 运行加密操作。

加密后的结果通常都会用Base64编码进行传输
        return Hex.encodeHexString(buff);
    }  

    /**
     * 取得私钥
     *
     * @param keyMap
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String getPrivateKey()throws Exception{
        Key key = (Key)initKey().get(PRIVATE_KEY);
        return Base64.encodeBase64String(key.getEncoded());
    }  

    /**
     * 取得公钥
     *
     * @param keyMap
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String getPublicKey()throws Exception {
        Key key = (Key) initKey().get(PUBLIC_KEY);
        return Base64.encodeBase64String(key.getEncoded());
    }  

    /**
     * 初始化密钥
     *
     * @return
     * @throws Exception
     * @throws Exception
     */
    public static Map<String, Object> initKey() throws Exception{
        InputStream in1 = RSAUtil.class.getClassLoader().getResourceAsStream(PUBLIC_KEY_PATH);
        InputStream in2 = RSAUtil.class.getClassLoader().getResourceAsStream(PRIVATE_KEY_PATH);
        try {
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM);
            /*生成公钥*/
            byte[] encodedpubkey = new byte[in1.available()];
            in1.read(encodedpubkey);
            X509EncodedKeySpec pubKeySpec = new X509EncodedKeySpec(encodedpubkey);
            PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(pubKeySpec);
            /*生成私钥*/
            byte[] encodedprikey = new byte[in2.available()];
            in2.read(encodedprikey);
            PKCS8EncodedKeySpec priKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(encodedprikey);
            PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(priKeySpec);
            /*封装进map*/
            Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>();
            keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
            keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
            return keyMap;
        } catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
            throw e;
        } finally {
            in1.close();
            in2.close();
        }
    }
    /**
     * 初始化密钥 2
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static Map<String, Object> initKey2() throws Exception {
        KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
        keyPairGen.initialize(1024);
        KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
        // 公钥
        RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
        // 私钥
        RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
        Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>(2);
        keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
        keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
        return keyMap;
    }  

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String publicKey = getPublicKey();
        String privateKey = getPrivateKey();
        System.out.println("公钥:\r" + publicKey);
        System.out.println("私钥:\r" + privateKey); 

        System.out.println("公钥加密————————————————————私钥解密");
        String data = "Somnus";
        System.out.println("原文: " + data);
        String encryptData = encryptByPublicKey(data);
        System.out.println("加密后: " + encryptData);
        String decryptData = decryptByPrivateKey(encryptData);
        System.out.println("解密后: " + decryptData);

        System.out.println("私钥加密————————————————————公钥解密");
        System.out.println("原文: " + data);
        String encryptData2 = encryptByPrivateKey(data);
        System.out.println("加密后: " + encryptData2);
        String decryptData2 = decryptByPublicKey(encryptData2);
        System.out.println("解密后: " + decryptData2);

        System.out.println("私钥签名——公钥验证签名");
        // 产生签名
        String sign = sign(encryptData2);
        System.out.println("签名:\r" + sign);
        // 验证签名
        boolean status = verify(encryptData2,sign);
        System.out.println("状态:" + status);
    }
}

控制台输出：

公钥加密————————————————————私钥解密
原文: Somnus
[82, 112, 47, -49, -44, 28, 117, 87, -32, -5, -116, 56, -60, 87, -1, -36, 89, 84, -9, 17, -66, 64, -115, -114, 72, -86, 79, 63, -15, -35, -14, 40, -50, 16, -105, 73, 80, 7, -48, 75, -114, -64, 80, 74, 6, -74, 24, -59, -59, 31, 121, -63, 45, 93, 20, 25, -116, 51, -74, -40, 22, 55, -31, -106]
加密后: 52702fcfd41c7557e0fb8c38c457ffdc5954f711be408d8e48aa4f3ff1ddf228ce1097495007d04b8ec0504a06b618c5c51f79c12d5d14198c33b6d81637e196
[83, 111, 109, 110, 117, 115]
解密后: Somnus
私钥加密————————————————————公钥解密
原文: Somnus
[69, -38, -21, -84, -56, -1, 50, -33, -46, 11, 124, 37, -106, 53, 67, 81, -9, 39, -15, -89, 59, -49, 102, 71, 89, -7, 22, 42, 49, -29, 28, 114, -36, -1, -123, -7, 124, -104, -38, 83, 12, 76, 61, -117, 118, -54, 99, 99, 47, -118, 28, -119, 83, -5, 124, 122, -3, 109, 45, -38, -31, 98, 99, -107]
加密后: 45daebacc8ff32dfd20b7c2596354351f727f1a73bcf664759f9162a31e31c72dcff85f97c98da530c4c3d8b76ca63632f8a1c8953fb7c7afd6d2ddae1626395
[83, 111, 109, 110, 117, 115]
解密后: Somnus
私钥签名——公钥验证签名
签名:
GfLuZt88KdtRoTL7nJoeoRYGW0Lqu9eV4o9J8OVzH9jbHHGa/ZZDlCAjqS1jwkMYaXrut+W2a8v867mZDvQJtw==
状态:true

简要总结一下，使用公钥加密、私钥解密，完毕了乙方到甲方的一次数据传递，通过私钥加密、公钥解密，同一时候通过私钥签名、公钥验证签名。完毕了一次甲方到乙方的数据传递与验证，两次数据传递完毕一整套的数据交互！



类似数字签名。数字信封是这样描写叙述的： 



数字信封 

　　数字信封用加密技术来保证仅仅有特定的收信人才干阅读信的内容。 

流程： 

    信息发送方採用对称密钥来加密信息。然后再用接收方的公钥来加密此对称密钥（这部分称为数字信封）。再将它和信息一起发送给接收方。接收方先用对应的私钥打开数字信封，得到对称密钥，然后使用对称密钥再解开信息。