RSA加密算法Java应用解析-目前地球上最有影响力的加密算法
1.RSA加密算法简介
RSA公开密钥密码体制。所谓的公开密钥密码体制就是使用不同的加密密钥与解密密钥,是一种“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算法是第一个能同时用于加密和数字签名的算法,也易于理解和操作。RSA是被研究得最广泛的公钥算法,从提出到现今的三十多年里,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。
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2.RSA加密算法在Java中的应用案例
上面的那些是网上的,就不多说了,其中涉及到的数学知识,大家也可以自己问度娘,网上太多了,在这个快餐年代,估计也没多少人看我长幅大篇的说理论,我这里直接上干货,在Java上的案例,已经测试可用了,下面是三个代码块,包括js和test
2.1 RSACoder.java
import org.apache.commons.codec.binary.Base64; import javax.crypto.Cipher; import java.security.*; import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec; import java.security.spec.X509EncodedKeySpec; import java.util.HashMap; import java.util.Map; /** * Created by humf.需要依赖 commons-codec 包 */ public class RSACoder { public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA"; public static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "MD5withRSA"; private static final String PUBLIC_KEY = "RSAPublicKey"; private static final String PRIVATE_KEY = "RSAPrivateKey"; public static byte[] decryptBASE64(String key) { return Base64.decodeBase64(key); } public static String encryptBASE64(byte[] bytes) { return Base64.encodeBase64String(bytes); } /** * 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(byte[] data, String privateKey) throws Exception { // 解密由base64编码的私钥 byte[] keyBytes = decryptBASE64(privateKey); // 构造PKCS8EncodedKeySpec对象 PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes); // KEY_ALGORITHM 指定的加密算法 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_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(data); return encryptBASE64(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(byte[] data, String publicKey, String sign) throws Exception { // 解密由base64编码的公钥 byte[] keyBytes = decryptBASE64(publicKey); // 构造X509EncodedKeySpec对象 X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes); // KEY_ALGORITHM 指定的加密算法 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM); // 取公钥匙对象 PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(keySpec); Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM); signature.initVerify(pubKey); signature.update(data); // 验证签名是否正常 return signature.verify(decryptBASE64(sign)); } public static byte[] decryptByPrivateKey(byte[] data, String key) throws Exception{ // 对密钥解密 byte[] keyBytes = decryptBASE64(key); // 取得私钥 PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes); KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM); Key privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec); // 对数据解密 Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm()); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey); return cipher.doFinal(data); } /** * 解密<br> * 用私钥解密 * * @param data * @param key * @return * @throws Exception */ public static byte[] decryptByPrivateKey(String data, String key) throws Exception { return decryptByPrivateKey(decryptBASE64(data),key); } /** * 解密<br> * 用公钥解密 * * @param data * @param key * @return * @throws Exception */ public static byte[] decryptByPublicKey(byte[] data, String key) throws Exception { // 对密钥解密 byte[] keyBytes = decryptBASE64(key); // 取得公钥 X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes); KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM); Key publicKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec); // 对数据解密 Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm()); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey); return cipher.doFinal(data); } /** * 加密<br> * 用公钥加密 * * @param data * @param key * @return * @throws Exception */ public static byte[] encryptByPublicKey(String data, String key) throws Exception { // 对公钥解密 byte[] keyBytes = decryptBASE64(key); // 取得公钥 X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes); KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM); Key publicKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec); // 对数据加密 Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm()); cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey); return cipher.doFinal(data.getBytes()); } /** * 加密<br> * 用私钥加密 * * @param data * @param key * @return * @throws Exception */ public static byte[] encryptByPrivateKey(byte[] data, String key) throws Exception { // 对密钥解密 byte[] keyBytes = decryptBASE64(key); // 取得私钥 PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes); KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM); Key privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec); // 对数据加密 Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm()); cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey); return cipher.doFinal(data); } /** * 取得私钥 * * @param keyMap * @return * @throws Exception */ public static String getPrivateKey(Map<String, Key> keyMap) throws Exception { Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY); return encryptBASE64(key.getEncoded()); } /** * 取得公钥 * * @param keyMap * @return * @throws Exception */ public static String getPublicKey(Map<String, Key> keyMap) throws Exception { Key key = keyMap.get(PUBLIC_KEY); return encryptBASE64(key.getEncoded()); } /** * 初始化密钥 * * @return * @throws Exception */ public static Map<String, Key> initKey() throws Exception { KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator .getInstance(KEY_ALGORITHM); keyPairGen.initialize(1024); KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair(); Map<String, Key> keyMap = new HashMap(2); keyMap.put(PUBLIC_KEY, keyPair.getPublic());// 公钥 keyMap.put(PRIVATE_KEY, keyPair.getPrivate());// 私钥 return keyMap; } }
2.2 RSACoder.js
<!-- 依赖 jsencrypt 项目--> <script src="bin/jsencrypt.min.js"></script> <script type="text/javascript"> var encrypt = new JSEncrypt(); encrypt.setPublicKey('java生成的公钥'); var encrypted = encrypt.encrypt('加密的字符串'); </script>
2.3 RSACoderTest.java
import org.junit.Before; import org.junit.Test; import java.security.Key; import java.util.Map; import static org.junit.Assert.assertEquals; import static org.junit.Assert.assertTrue; /** * Created by humf.测试demo */ public class RSACoderTest { private String publicKey; private String privateKey; @Before public void setUp() throws Exception { Map<String, Key> keyMap = RSACoder.initKey(); publicKey = RSACoder.getPublicKey(keyMap); privateKey = RSACoder.getPrivateKey(keyMap); System.err.println("公钥: \n\r" + publicKey); System.err.println("私钥: \n\r" + privateKey); } @Test public void test() throws Exception { System.err.println("公钥加密——私钥解密"); String inputStr = "abc"; byte[] encodedData = RSACoder.encryptByPublicKey(inputStr, publicKey); byte[] decodedData = RSACoder.decryptByPrivateKey(encodedData, privateKey); String outputStr = new String(decodedData); System.err.println("加密前: " + inputStr + "\n\r" + "解密后: " + outputStr); assertEquals(inputStr, outputStr); } @Test public void testSign() throws Exception { System.err.println("私钥加密——公钥解密"); String inputStr = "sign"; byte[] data = inputStr.getBytes(); byte[] encodedData = RSACoder.encryptByPrivateKey(data, privateKey); byte[] decodedData = RSACoder.decryptByPublicKey(encodedData, publicKey); String outputStr = new String(decodedData); System.err.println("加密前: " + inputStr + "\n\r" + "解密后: " + outputStr); assertEquals(inputStr, outputStr); System.err.println("私钥签名——公钥验证签名"); // 产生签名 String sign = RSACoder.sign(encodedData, privateKey); System.err.println("签名:" + sign); // 验证签名 boolean status = RSACoder.verify(encodedData, publicKey, sign); System.err.println("状态:" + status); assertTrue(status); } }
3.总结
RSA的安全性依赖于大数分解,但是否等同于大数分解一直未能得到理论上的证明,因为没有证明破解RSA就一定需要作大数分解。假设存在一种无须分解大数的算法,那它肯定可以修改成为大数分解算法。 RSA 的一些变种算法已被证明等价于大数分解。不管怎样,分解n是最显然的攻击方法。人们已能分解多个十进制位的大素数。因此,模数n必须选大一些,因具体适用情况而定。
缺点:
1)产生密钥很麻烦,受到素数产生技术的限制,因而难以做到一次一密。
2)安全性,RSA的安全性依赖于大数的因子分解,但并没有从理论上证明破译RSA的难度与大数分解难度等价,而且密码学界多数人士倾向于因子分解不是NP问题。现今,人们已能分解140多个十进制位的大素数,这就要求使用更长的密钥,速度更慢;另外,人们正在积极寻找攻击RSA的方法,如选择密文攻击,一般攻击者是将某一信息作一下伪装(Blind),让拥有私钥的实体签署。然后,经过计算就可得到它所想要的信息。实际上,攻击利用的都是同一个弱点,即存在这样一个事实:乘幂保留了输入的乘法结构:
(XM)d = Xd *Md mod n
前面已经提到,这个固有的问题来自于公钥密码系统的最有用的特征--每个人都能使用公钥。但从算法上无法解决这一问题,主要措施有两条:一条是采用好的公钥协议,保证工作过程中实体不对其他实体任意产生的信息解密,不对自己一无所知的信息签名;另一条是决不对陌生人送来的随机文档签名,签名时首先使用One-Way Hash Function对文档作HASH处理,或同时使用不同的签名算法。除了利用公共模数,人们还尝试一些利用解密指数或φ(n)等等攻击.
3)速度太慢,由于RSA 的分组长度太大,为保证安全性,n 至少也要 600 bits以上,使运算代价很高,尤其是速度较慢,较对称密码算法慢几个数量级;且随着大数分解技术的发展,这个长度还在增加,不利于数据格式的标准化。SET(Secure Electronic Transaction)协议中要求CA采用2048比特长的密钥,其他实体使用1024比特的密钥。为了速度问题,人们广泛使用单,公钥密码结合使用的方法,优缺点互补:单钥密码加密速度快,人们用它来加密较长的文件,然后用RSA来给文件密钥加密,极好的解决了单钥密码的密钥分发问题。