非对称加密之RSA是怎么加密的

skyyoung
发布于 2023-1-12 11:56
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前几天阿粉刚刚说了这个 MD5 加密的前世今生,因为 MD5 也确实用的人不是很多了,阿粉就不再继续的一一赘述了,今天阿粉想给大家分享的,是非对称加密中的一种,那就是 RSA 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 {

    /**
     * RSA最大加密明文大小
     */
    private static final int MAX_ENCRYPT_BLOCK = 117;

    /**
     * RSA最大解密密文大小
     */
    private static final int MAX_DECRYPT_BLOCK = 128;

    /**
     * 获取密钥对
     *
     * @return 密钥对
     */
    public static KeyPair getKeyPair() throws Exception {
        KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        generator.initialize(1024);
        return generator.generateKeyPair();
    }

    /**
     * 获取私钥
     *
     * @param privateKey 私钥字符串
     * @return
     */
    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);
    }

    /**
     * 获取公钥
     *
     * @param publicKey 公钥字符串
     * @return
     */
    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);
    }

    /**
     * RSA加密
     *
     * @param data 待加密数据
     * @param publicKey 公钥
     * @return
     */
    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));
    }

    /**
     * RSA解密
     *
     * @param data 待解密数据
     * @param privateKey 私钥
     * @return
     */
    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");
    }

    /**
     * 签名
     *
     * @param data 待签名数据
     * @param privateKey 私钥
     * @return 签名
     */
    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()));
    }

    /**
     * 验签
     *
     * @param srcData 原始字符串
     * @param publicKey 公钥
     * @param sign 签名
     * @return 是否验签通过
     */
    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。

关于RSA 你了解了么?



文章转载自公众号:Java极客技术

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已于2023-1-12 11:56:52修改
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