第五章 非对称加密算法--DH--RSA
13.1、DH
- 非对称算法的基石
- 仅能用于密钥分配，不能用于加解密数据，一般加密数据用AES
- 密钥长度：512~1024中的64的整数倍
- 双方各有自己的密钥对
13.2、RSA
- 最经典的非对称加密算法
- 也可认为是使用最多的非对称加密算法
- 能用于密钥分配，也能用于加解密数据（“私钥加密，公钥解密”和“公钥加密，私钥解密”）
- 密钥长度：512~65536（64的整数倍）
- 只有发送方有一个密钥对，或者更安全的做法是：双发均生成自己的密钥对，但是后边使用密钥对进行加解密时与DH的区别查看前一章
- 可用于数字签名
13.3、ElGamal
- 数字签名DSA的基础
- 具体实现方式只有BC有，与RSA的实现方式类似
- 只有“公钥加密，私钥加密”方式（公钥加密实际上安全性不高）
- 密文会成倍扩张
11.1、非对称加密算法
特点：
- 发送方和接收方均有一个密钥对（公钥+私钥），其中公钥传播，私钥自己保存，不需要传播
- 私钥不需要传播的特性解决了对称加密算法中密钥传播的困难（这个困难一般通过线下传递可以解决）
- 加密安全性极高，只用于一些电子商务网站，加解密速度远低于对称加密
- 一般情况下，为了解决非对称加密算法加解密速度低的问题，采用非对称加密（使用公钥+私钥对对称加密的密钥进行加解密）+对称加密（加解密数据）相结合的方式。
常见算法：
- DH（非对称加密的基石）
- RSA（非对称加密的经典，除了可用于非对称加密，也可用于数字签名，RSA--155(512位密钥)已被破解）
- ElGamal
11.2、DH（仅能用于密钥分配，不能加解密数据）
实现方式：
- JDK（密钥长度：512~1024中的64的整数倍）
几个概念：
- 密钥对：公钥+私钥
- 本地密钥：对称加密的密钥
整个流程：
1）甲乙双方初始化各自的密钥对
甲方构建出密钥对keyPair1-->乙方使用甲方的密钥对中的公钥publicKey1构建出自己的密钥对keyPair2
2）甲乙双方构建各自的本地密钥
甲方使用自己的私钥privateKey1+乙方的公钥publicKey2构建出自己的本地密钥key1
乙方使用自己的私钥privateKey2+甲方的公钥publicKey1构建出自己的本地密钥key2
最后会发现key1==key2，这两个本地密钥将会是接下来对对称加密所使用的密钥
3）发送方（甲方或乙方均可）使用本地密钥+对称加密算法对待加密数据进行加密，传递给接收方
4）接收方使用本地密钥+对称加密算法对待解密数据进行解密
1 package com.util.dh;
2
3 import java.io.UnsupportedEncodingException;
4 import java.security.InvalidAlgorithmParameterException;
5 import java.security.InvalidKeyException;
6 import java.security.Key;
7 import java.security.KeyFactory;
8 import java.security.KeyPair;
9 import java.security.KeyPairGenerator;
10 import java.security.NoSuchAlgorithmException;
11 import java.security.PrivateKey;
12 import java.security.PublicKey;
13 import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
14 import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
15 import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
16
17 import javax.crypto.BadPaddingException;
18 import javax.crypto.Cipher;
19 import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
20 import javax.crypto.KeyAgreement;
21 import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
22 import javax.crypto.interfaces.DHPublicKey;
23 import javax.crypto.spec.DHParameterSpec;
24 import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
25
26 import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
27
28 /**
29 * 基于JDK的DH算法，工作模式采用ECB
30 */
31 public class DHJDK {
32 private static final String ENCODING = "UTF-8";
33 private static final String FDC_KEY_ALGORITHM = "DH";//非对称加密密钥算法
34 private static final String DC_KEY_ALGORITHM = "AES";//产生本地密钥的算法（对称加密密钥算法）
35 private static final String CIPHER_ALGORITHM = "AES/ECB/PKCS5Padding";//加解密算法 格式：算法/工作模式/填充模式 注意：ECB不使用IV参数
36 private static final int FDC_KEY_SIZE = 512;//非对称密钥长度（512~1024之间的64的整数倍）
37
38 /**
39 * 生成甲方密钥对
40 */
41 public static KeyPair initKey() throws NoSuchAlgorithmException{
42 KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(FDC_KEY_ALGORITHM);//密钥对生成器
43 keyPairGenerator.initialize(FDC_KEY_SIZE);//指定密钥长度
44 KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();//生成密钥对
45 return keyPair;
46 }
47
48 /**
49 * 生成乙方密钥对
50 * @param key 甲方公钥
51 */
52 public static KeyPair initKey(byte[] key) throws NoSuchAlgorithmException,
53 InvalidKeySpecException,
54 InvalidAlgorithmParameterException{
55 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(FDC_KEY_ALGORITHM);//密钥工厂
56 PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(key));//还原甲方公钥
57 DHParameterSpec dHParameterSpec = ((DHPublicKey)publicKey).getParams();
58
59 KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());//乙方密钥对生成器
60 keyPairGenerator.initialize(dHParameterSpec);//使用甲方公钥参数初始化乙方密钥对生成器
61 KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();//生成密钥对
62 return keyPair;
63 }
64
65 /**
66 * DH加密
67 * @param data 带加密数据
68 * @param keyByte 本地密钥，由getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey)产生
69 */
70 public static byte[] encrypt(String data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
71 NoSuchPaddingException,
72 InvalidKeyException,
73 IllegalBlockSizeException,
74 BadPaddingException,
75 UnsupportedEncodingException {
76 Key key = new SecretKeySpec(keyByte, DC_KEY_ALGORITHM);//生成本地密钥
77
78 Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
79 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);//设置加密模式并且初始化key
80 return cipher.doFinal(data.getBytes(ENCODING));
81 }
82
83 /**
84 * DH解密
85 * @param data 待解密数据为字节数组
86 * @param keyByte 本地密钥，由getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey)产生
87 */
88 public static byte[] decrypt(byte[] data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
89 NoSuchPaddingException,
90 InvalidKeyException,
91 IllegalBlockSizeException,
92 BadPaddingException {
93 Key key = new SecretKeySpec(keyByte, DC_KEY_ALGORITHM);//生成本地密钥
94 Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
95 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
96 return cipher.doFinal(data);
97 }
98
99 /**
100 * 根据本方私钥与对方公钥构建本地密钥（即对称加密的密钥）
101 * @param publicKey 对方公钥
102 * @param privateKey 本方私钥
103 */
104 public static byte[] getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey) throws NoSuchAlgorithmException,
105 InvalidKeySpecException,
106 InvalidKeyException{
107 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(FDC_KEY_ALGORITHM);//密钥工厂
108 PublicKey pubkey = keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));//还原公钥
109 PrivateKey prikey = keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));//还原私钥
110
111 KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
112 keyAgreement.init(prikey);
113 keyAgreement.doPhase(pubkey, true);
114 return keyAgreement.generateSecret(DC_KEY_ALGORITHM).getEncoded();//生成本地密钥（对称加密的密钥）
115 }
116
117 /**
118 * 获取公钥
119 */
120 public static byte[] getPublicKey(KeyPair keyPair){
121 return keyPair.getPublic().getEncoded();
122 }
123
124 /**
125 * 获取私钥
126 */
127 public static byte[] getPrivateKey(KeyPair keyPair){
128 return keyPair.getPrivate().getEncoded();
129 }
130
131 /**
132 * 测试
133 */
134 public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException,
135 InvalidKeySpecException,
136 InvalidAlgorithmParameterException,
137 InvalidKeyException,
138 NoSuchPaddingException,
139 IllegalBlockSizeException,
140 BadPaddingException,
141 UnsupportedEncodingException {
142 byte[] pubKey1;//甲方公钥
143 byte[] priKey1;//甲方私钥
144 byte[] key1;//甲方本地密钥
145 byte[] pubKey2;//乙方公钥
146 byte[] priKey2;//乙方私钥
147 byte[] key2;//乙方本地密钥
148
149 /*********************测试是否可以正确生成以上6个key，以及key1与key2是否相等*********************/
150 KeyPair keyPair1 = DHJDK.initKey();//生成甲方密钥对
151 pubKey1 = DHJDK.getPublicKey(keyPair1);
152 priKey1 = DHJDK.getPrivateKey(keyPair1);
153
154 KeyPair keyPair2 = DHJDK.initKey(pubKey1);//根据甲方公钥生成乙方密钥对
155 pubKey2 = DHJDK.getPublicKey(keyPair2);
156 priKey2 = DHJDK.getPrivateKey(keyPair2);
157
158 key1 = DHJDK.getSecretKey(pubKey2, priKey1);//使用对方公钥和自己私钥构建本地密钥
159 key2 = DHJDK.getSecretKey(pubKey1, priKey2);//使用对方公钥和自己私钥构建本地密钥
160
161 System.out.println("甲方公钥pubKey1-->"+Base64.encodeBase64String(pubKey1)+"@@pubKey1.length-->"+pubKey1.length);
162 System.out.println("甲方私钥priKey1-->"+Base64.encodeBase64String(priKey1)+"@@priKey1.length-->"+priKey1.length);
163 System.out.println("乙方公钥pubKey2-->"+Base64.encodeBase64String(pubKey2)+"@@pubKey2.length-->"+pubKey2.length);
164 System.out.println("乙方私钥priKey2-->"+Base64.encodeBase64String(priKey2)+"@@priKey2.length-->"+priKey2.length);
165 System.out.println("甲方密钥key1-->"+Base64.encodeBase64String(key1));
166 System.out.println("乙方密钥key2-->"+Base64.encodeBase64String(key2));
167
168 /*********************测试甲方使用本地密钥加密数据向乙方发送，乙方使用本地密钥解密数据*********************/
169 System.out.println("甲方-->乙方");
170 String data = "找一个好姑娘啊！";
171 byte[] encodeStr = DHJDK.encrypt(data, key1);
172 System.out.println("甲方加密后的数据-->"+Base64.encodeBase64String(encodeStr));
173 byte[] decodeStr = DHJDK.decrypt(encodeStr, key2);
174 System.out.println("乙方解密后的数据-->"+new String(decodeStr,"UTF-8"));
175
176 /*********************测试乙方使用本地密钥加密数据向甲方发送，甲方使用本地密钥解密数据*********************/
177 System.out.println("乙方-->甲方");
178 String data2 = "找一个好姑娘啊！";
179 byte[] encodeStr2 = DHJDK.encrypt(data2, key2);
180 System.out.println("乙方加密后的数据-->"+Base64.encodeBase64String(encodeStr2));
181 byte[] decodeStr2 = DHJDK.decrypt(encodeStr, key1);
182 System.out.println("甲方解密后的数据-->"+new String(decodeStr2,"UTF-8"));
183 }
184 }
注意点：
- 之前说的byte[]数组的比较可以通过依次比较两个数组中的元素进行比较，当然也可以将两个数组进行Base64编码（CC）或十六进制转换（BC/CC）成字符串进行比较
- 测试过程中，自己去测一下key1与key2是否相等，以及甲方发送加密数据，乙方接收数据并解密或者乙方发送加密数据，甲方接收数据并解密
12.1、RSA（最经典的非对称加密算法）
特点：
- 使用一套密钥即可完成加解密（与DH不同）
- 与DH不同的第二点是，RSA自己可以完成加解密，而DH需要依赖于对称加密算法
- “私钥加密，公钥解密”或“公钥加密，私钥解密”
- 公钥长度远小于私钥长度（对下边的代码进行测试，自己比较结果）
加解密流程：
1）发送方（假设为甲方）构建密钥对，自己保留私钥，将公钥发送给接收方（假设为乙方）
2）甲方使用密钥对消息进行加密，乙方使用公钥对消息解密（“私钥加密，公钥解密”）或者乙方使用公钥对消息进行加密，甲方使用私钥对消息解密（“公钥加密，私钥解密”）
注意：公钥加密方式存在安全隐患，如果需要更加安全的方式，就需要甲乙双方均存一份密钥对，仅仅使用“私钥加密，公钥解密”的方式，这种方式与DH类似，但是不同，在DH中甲乙双方各自保留着自己的公钥+私钥，而更安全的RSA是甲乙方法均保存着自己的私钥与对方的公钥，这是RSA与DH的第三点不同。
实现方式：
- JDK（工作模式只有ECB，填充方式可以采用PKCS1Padding，没有PKCS5Padding，密钥长度：512~65536（64的整数倍））
- Bouncy Castle（BC，工作模式没有，填充方式可以采用PKCS1Padding，没有PKCS7Padding，密钥长度：512~65536（64的整数倍））
基于JDK实现的RSA加解密代码：
1 package RSAJDK;
2
3 import java.io.UnsupportedEncodingException;
4 import java.security.InvalidKeyException;
5 import java.security.KeyFactory;
6 import java.security.KeyPair;
7 import java.security.KeyPairGenerator;
8 import java.security.NoSuchAlgorithmException;
9 import java.security.PrivateKey;
10 import java.security.PublicKey;
11 import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
12 import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
13 import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
14
15 import javax.crypto.BadPaddingException;
16 import javax.crypto.Cipher;
17 import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
18 import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
19
20 import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
21
22 /**
23 * 基于JDK的RSA算法，工作模式采用ECB
24 */
25 public class RSAJDK {
26 private static final String ENCODING = "UTF-8";
27 private static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";//非对称加密密钥算法
28 private static final String CIPHER_ALGORITHM = "RSA/ECB/PKCS1Padding";//加解密算法 格式：算法/工作模式/填充模式
29 private static final int KEY_SIZE = 512;//非对称密钥长度（512~1024之间的64的整数倍）
30
31 /**
32 * 还原公钥
33 * @param pubKey 二进制公钥
34 */
35 public static PublicKey toPublicKey(byte[] pubKey) throws NoSuchAlgorithmException,
36 InvalidKeySpecException{
37 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);//密钥工厂
38 return keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(pubKey));//还原公钥
39 }
40
41 /**
42 * 还原私钥
43 * @param priKey 二进制私钥
44 */
45 public static PrivateKey toPrivateKey(byte[] priKey) throws NoSuchAlgorithmException,
46 InvalidKeySpecException{
47 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);//密钥工厂
48 return keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(priKey));//还原私钥
49 }
50
51 /**
52 * 生成甲方密钥对
53 */
54 public static KeyPair initKey() throws NoSuchAlgorithmException{
55 KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);//密钥对生成器
56 keyPairGenerator.initialize(KEY_SIZE);//指定密钥长度
57 KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();//生成密钥对
58 return keyPair;
59 }
60
61 /**
62 * 私钥加密
63 * @param data 待加密数据
64 * @param keyByte 私钥
65 */
66 public static byte[] encryptPriKey(String data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
67 InvalidKeySpecException,
68 NoSuchPaddingException,
69 InvalidKeyException,
70 IllegalBlockSizeException,
71 BadPaddingException,
72 UnsupportedEncodingException {
73 PrivateKey priKey = toPrivateKey(keyByte);//还原私钥
74
75 Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
76 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, priKey);//设置加密模式并且初始化key
77 return cipher.doFinal(data.getBytes(ENCODING));
78 }
79
80 /**
81 * 公钥加密
82 * @param data 待加密数据
83 * @param keyByte 公钥
84 */
85 public static byte[] encryptPubKey(String data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
86 InvalidKeySpecException,
87 NoSuchPaddingException,
88 InvalidKeyException,
89 IllegalBlockSizeException,
90 BadPaddingException,
91 UnsupportedEncodingException {
92 PublicKey pubKey = toPublicKey(keyByte);//还原公钥
93
94 Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
95 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);//设置加密模式并且初始化key
96 return cipher.doFinal(data.getBytes(ENCODING));
97 }
98
99 /**
100 * 私钥解密
101 * @param data 待解密数据
102 * @param keyByte 私钥
103 */
104 public static byte[] decryptPriKey(byte[] data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
105 InvalidKeySpecException,
106 NoSuchPaddingException,
107 InvalidKeyException,
108 IllegalBlockSizeException,
109 BadPaddingException {
110 PrivateKey priKey = toPrivateKey(keyByte);//还原私钥
111
112 Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
113 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey);
114 return cipher.doFinal(data);
115 }
116
117 /**
118 * 公钥解密
119 * @param data
120 * @param keyByte 公钥
121 */
122 public static byte[] decryptPubKey(byte[] data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
123 InvalidKeySpecException,
124 NoSuchPaddingException,
125 InvalidKeyException,
126 IllegalBlockSizeException,
127 BadPaddingException {
128 PublicKey pubKey = toPublicKey(keyByte);//还原公钥
129
130 Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
131 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, pubKey);
132 return cipher.doFinal(data);
133 }
134
135 /**
136 * 获取公钥
137 */
138 public static byte[] getPublicKey(KeyPair keyPair){
139 return keyPair.getPublic().getEncoded();
140 }
141
142 /**
143 * 获取私钥
144 */
145 public static byte[] getPrivateKey(KeyPair keyPair){
146 return keyPair.getPrivate().getEncoded();
147 }
148
149 /**
150 * 测试
151 */
152 public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException,
153 InvalidKeyException,
154 InvalidKeySpecException,
155 NoSuchPaddingException,
156 IllegalBlockSizeException,
157 BadPaddingException,
158 UnsupportedEncodingException{
159 byte[] pubKey1;//甲方公钥
160 byte[] priKey1;//甲方私钥
161
162 /*********************测试是否可以正确生成以上2个key*********************/
163 KeyPair keyPair1 = RSAJDK.initKey();//生成甲方密钥对
164 pubKey1 = RSAJDK.getPublicKey(keyPair1);
165 priKey1 = RSAJDK.getPrivateKey(keyPair1);
166
167 System.out.println("甲方公钥pubKey1-->"+Base64.encodeBase64String(pubKey1)+"@@pubKey1.length-->"+pubKey1.length);
168 System.out.println("甲方私钥priKey1-->"+Base64.encodeBase64String(priKey1)+"@@priKey1.length-->"+priKey1.length);
169
170 /*********************测试甲方使用私钥加密数据向乙方发送，乙方使用公钥解密数据*********************/
171 System.out.println("甲方-->乙方");
172 String data = "找一个好姑娘啊！";
173 byte[] encodeStr = RSAJDK.encryptPriKey(data, priKey1);
174 System.out.println("甲方加密后的数据-->"+Base64.encodeBase64String(encodeStr));
175 byte[] decodeStr = RSAJDK.decryptPubKey(encodeStr, pubKey1);
176 System.out.println("乙方解密后的数据-->"+new String(decodeStr,"UTF-8"));
177
178 /*********************测试乙方使用私钥加密数据向甲方发送，甲方使用公钥解密数据*********************/
179 System.out.println("乙方-->甲方");
180 String data2 = "找一个好姑娘啊！";
181 byte[] encodeStr2 = RSAJDK.encryptPubKey(data2, pubKey1);
182 System.out.println("乙方加密后的数据-->"+Base64.encodeBase64String(encodeStr2));
183 byte[] decodeStr2 = RSAJDK.decryptPriKey(encodeStr2, priKey1);
184 System.out.println("甲方解密后的数据-->"+new String(decodeStr2,"UTF-8"));
185 }
186 }
注意：
自己若看了DH算法，试着比较一下RSA算法与DH的区别，并使这些一下更安全的RSA算法（生成两个密钥对，其实就是在上述的代码中再添加一个乙方的密钥对生成方法即可）
