• 学习笔记——RSA加密&签名

    前后端请求，内容涉及用户信息时一般会要求对数据进行加密；对于支付系统的接口，为了保证参数不被篡改（如订单金额、支付单号等），需要对下单参数进行签名；

    本篇介绍RSA相关的知识以及应用场景，包括：对称加密和非对称加密、RSA原理简介、加密和签名的区别以及RSA加密算法的代码示例；

    1. 对称加密和非对称加密

    1. 对称加密

    假如：一个人A想把信息m发给B  他不能直接把m给B，不然会被窃听到，所以A经过一个算法，比如+e，得到C；然后A把这个C发送给B，B收到C之后，通过-e 的方式就得到了信息m；

    加解密过程如下：

    加密：原文 + 密匙 = 密文

    解密：密文 - 密匙 = 原文

    m 是明文，就是我们要传递的信息；

    e 是密钥，就是加密的算法，是需要保密的  ；

    C 是密文，就是加密之后的信息；

    这个密文C可以是公开的，但由于不知道你的密钥，所以就没有办法知道要传递的m；

    简单来说就是通过e加密，也通过e去解密；

    2. 非对称加密

    还是这个例子，一个人A想把信息m发给B，B生成了两个有关系的e和d ，e称为公钥，d称为私钥，B可以通过公开的方式把e发给A；

    A通过e里面的某一个算法，例如+e，对m进行加密得到C，A也可以通过公开的方式把C发送给B；非对称指的就是，B收到之后通过不是通过-e的方式，而是+d的方式，得到了信息m；

    也就是说 通过e加密，然后用d去解密；

    加解密过程如下：

    加密：原文 + 公匙 = 密文

    解密：密文 + 私匙 = 原文

    m 是明文，就是我们要传递的信息；

    e 是公钥，就是加密的算法，由接收者生成，与私钥绑定，可以公开；

    d 是私钥，就是解密的算法，由接收者生成，与公钥绑定，接收者独占不公开；

    C 是密文，就是加密之后的信息；

    简单来说就是通过e加密，也通过d去解密，e并不能用来解密；

    2. RSA原理简介（看不懂可以略过）

    一个最经典的非对称就是RSA加密算法，那这个RSA是基于什么原理，公钥e和私钥d有一个怎么样的关系呢？

    首先 B先找出两个质数 p和q；

    计算 n = p * q；n是一个公开的大数；

    而 φ(n) = (p-1)  * (q-1)，这个函数又叫欧拉函数；

    公钥e：1 < e < φ(n)   在这个范围取出一个整数，并且 e 和 φ(n) 互质；（互质是公约数只有1的两个整数，叫做互质整数）

    私钥d： (e * d ) / φ(n)  = x  ······ 1 (x是几无所谓，余数必须是1，比如 φ(n)是20 e是3 那么d就是7)

    加密（明文m）：m^e / n =x  ······  c     (这几个x都代表任意数的商，在这里面没有直接意义，可以忽略不看，这几个x也都不相等)

    解密（密文c）： c^d  / n =x   ······ m   (可以从数学上证明，经过这一系列的计算，得到结果的余数一定是m)

    安全性：

    首先我们先知道 A 和 B都知道哪些东西，B（接收方）会把公钥e 和一个大数n 传给A（发送方），而B自己会留下一个私钥的d和一个相同的大数n，而A会把密文c传给B；

    已知：大数n、密文c、公钥e；

    解密：

    1. 通过m^e / n =x  ······  c；这个方法基本上是不可行的，因为x可以取所有的自然数；

    2. 通过公式，拿公钥e去破解私钥，直接用公钥解密；也是不行的，由公式 (e * d ) / φ(n)  = x  ······ 1 ，需要知道x，而x属于自然数；且当知道 φ(n) 后，由 n = p * q  ，又需要对其质数因式分解，但是一个大数的质因数分解却很难，更何况1024/2048位的大数n；

    总体上说，加密性还是可以的；

    3. 加密和签名的区别

    加密和签名都是为了安全性考虑，但略有不同；常有人问加密和签名是用私钥还是公钥？有这样的疑问是因为对加密和签名的作用有所混淆；

    简单的说，加密是为了防止信息被泄露，而签名是为了防止信息被篡改；这里举2个例子说明；

    3.1 加密

    第一个场景：战场上，B（消息发送发）要给A（消息接收方）传递一条消息，内容为某一指令；

    RSA的加密过程如下：

    （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。（这一对公钥和私钥都是消息接收方生成的，只不过需要先把公钥给'公开'）

    （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，即使都被敌方截获，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。

    3.1 签名

    第二个场景：A收到B发的消息后，需要A对B进行回复“收到”，B要能分清楚这个“收到“必须是A发出的而不是其他人；

    RSA签名的过程如下：

    （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；

    在这个过程中，只有2次传递过程，第一次是A传递加签的消息和消息本身给B，第二次是B获取A的公钥，即使都被敌方截获，也没有危险性，因为只有A的私钥才能对消息进行签名，即使知道了消息内容，也无法伪造带签名的回复给B，防止了消息内容的篡改。

    但是，综合两个场景你会发现，第一个场景虽然被截获的消息没有泄露，但是可以利用截获的公钥，将假指令进行加密，然后传递给A。

    第二个场景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。

    所以在实际应用中，要根据情况使用，也可以同时使用加密和签名；

    比如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;

    B收到先后加密两次的密文；首先用A的公钥进行签名校验，确保消息是A发过来的（即用A的公钥解密双重加密的密文，得到仅B加密下的密文，和原文比较；因为只有A的私钥加密的密文才能被A的公钥解密，这样保证了仅B加密的密文没有被篡改过，消息源是A发来的）；

    然后B再拿自己的私钥来解密仅B加密的密文，拿到明文；

    达到既不泄露也不被篡改，更能保证消息的安全性。

    总结：公钥加密、私钥解密；私钥签名、公钥验签；

    代码示例

    1. import java.io.ByteArrayOutputStream;
    2. import java.security.KeyFactory;
    3. import java.security.KeyPair;
    4. import java.security.KeyPairGenerator;
    5. import java.security.PrivateKey;
    6. import java.security.PublicKey;
    7. import java.security.Signature;
    8. import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
    9. import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
    10. import javax.crypto.Cipher;
    11.  
    12. import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
    13.  
    14. /**
    15.  * @author 11103381 Hao Ming
    16.  * @description
    17.  * @date 2020/5/8
    18.  */
    19. public class TestRSA {
    20.  
    21.     /**
    22.      * RSA最大加密明文大小
    23.      */
    24.     private static final int MAX_ENCRYPT_BLOCK = 117;
    25.  
    26.     /**
    27.      * RSA最大解密密文大小
    28.      */
    29.     private static final int MAX_DECRYPT_BLOCK = 128;
    30.  
    31.     /**
    32.      * 获取密钥对
    33.      *
    34.      * @return 密钥对
    35.      */
    36.     public static KeyPair getKeyPair() throws Exception {
    37.         KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
    38.         generator.initialize(1024);
    39.         return generator.generateKeyPair();
    40.     }
    41.  
    42.     /**
    43.      * 获取私钥
    44.      *
    45.      * @param privateKey 私钥字符串
    46.      * @return
    47.      */
    48.     public static PrivateKey getPrivateKey(String privateKey) throws Exception {
    49.         KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
    50.         byte[] decodedKey = Base64.decodeBase64(privateKey.getBytes());
    51.         PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(decodedKey);
    52.         return keyFactory.generatePrivate(keySpec);
    53.     }
    54.  
    55.     /**
    56.      * 获取公钥
    57.      *
    58.      * @param publicKey 公钥字符串
    59.      * @return
    60.      */
    61.     public static PublicKey getPublicKey(String publicKey) throws Exception {
    62.         KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
    63.         byte[] decodedKey = Base64.decodeBase64(publicKey.getBytes());
    64.         X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(decodedKey);
    65.         return keyFactory.generatePublic(keySpec);
    66.     }
    67.  
    68.     /**
    69.      * RSA加密
    70.      *
    71.      * @param data      待加密数据
    72.      * @param publicKey 公钥
    73.      * @return
    74.      */
    75.     public static String encrypt(String data, PublicKey publicKey) throws Exception {
    76.         Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
    77.         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
    78.         int inputLen = data.getBytes().length;
    79.         ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
    80.         int offset = 0;
    81.         byte[] cache;
    82.         int i = 0;
    83.         // 对数据分段加密
    84.         while (inputLen - offset > 0) {
    85.             if (inputLen - offset > MAX_ENCRYPT_BLOCK) {
    86.                 cache = cipher.doFinal(data.getBytes(), offset, MAX_ENCRYPT_BLOCK);
    87.             } else {
    88.                 cache = cipher.doFinal(data.getBytes(), offset, inputLen - offset);
    89.             }
    90.             out.write(cache, 0, cache.length);
    91.             i++;
    92.             offset = i * MAX_ENCRYPT_BLOCK;
    93.         }
    94.         byte[] encryptedData = out.toByteArray();
    95.         out.close();
    96.         // 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
    97.         // 加密后的字符串
    98.         return new String(Base64.encodeBase64String(encryptedData));
    99.     }
    100.  
    101.     /**
    102.      * RSA解密
    103.      *
    104.      * @param data       待解密数据
    105.      * @param privateKey 私钥
    106.      * @return
    107.      */
    108.     public static String decrypt(String data, PrivateKey privateKey) throws Exception {
    109.         Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
    110.         cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
    111.         byte[] dataBytes = Base64.decodeBase64(data);
    112.         int inputLen = dataBytes.length;
    113.         ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
    114.         int offset = 0;
    115.         byte[] cache;
    116.         int i = 0;
    117.         // 对数据分段解密
    118.         while (inputLen - offset > 0) {
    119.             if (inputLen - offset > MAX_DECRYPT_BLOCK) {
    120.                 cache = cipher.doFinal(dataBytes, offset, MAX_DECRYPT_BLOCK);
    121.             } else {
    122.                 cache = cipher.doFinal(dataBytes, offset, inputLen - offset);
    123.             }
    124.             out.write(cache, 0, cache.length);
    125.             i++;
    126.             offset = i * MAX_DECRYPT_BLOCK;
    127.         }
    128.         byte[] decryptedData = out.toByteArray();
    129.         out.close();
    130.         // 解密后的内容
    131.         return new String(decryptedData, "UTF-8");
    132.     }
    133.  
    134.     /**
    135.      * 签名
    136.      *
    137.      * @param data       待签名数据
    138.      * @param privateKey 私钥
    139.      * @return 签名
    140.      */
    141.     public static String sign(String data, PrivateKey privateKey) throws Exception {
    142.         byte[] keyBytes = privateKey.getEncoded();
    143.         PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
    144.         KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
    145.         PrivateKey key = keyFactory.generatePrivate(keySpec);
    146.         Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
    147.         signature.initSign(key);
    148.         signature.update(data.getBytes());
    149.         return new String(Base64.encodeBase64(signature.sign()));
    150.     }
    151.  
    152.     /**
    153.      * 验签
    154.      *
    155.      * @param srcData   原始字符串
    156.      * @param publicKey 公钥
    157.      * @param sign      签名
    158.      * @return 是否验签通过
    159.      */
    160.     public static boolean verify(String srcData, PublicKey publicKey, String sign) throws Exception {
    161.         byte[] keyBytes = publicKey.getEncoded();
    162.         X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
    163.         KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
    164.         PublicKey key = keyFactory.generatePublic(keySpec);
    165.         Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
    166.         signature.initVerify(key);
    167.         signature.update(srcData.getBytes());
    168.         return signature.verify(Base64.decodeBase64(sign.getBytes()));
    169.     }
    170.  
    171.     public static void main(String[] args) {
    172.         try {
    173.             // 生成密钥对
    174.             KeyPair keyPair = getKeyPair();
    175.             String privateKey = new String(Base64.encodeBase64(keyPair.getPrivate().getEncoded()));
    176.             String publicKey = new String(Base64.encodeBase64(keyPair.getPublic().getEncoded()));
    177.             System.out.println("私钥:" + privateKey);
    178.             System.out.println("公钥:" + publicKey);
    179.             // RSA加密(公钥)
    180.             String data = "待加密的文字内容";
    181.             String encryptData = encrypt(data, getPublicKey(publicKey));
    182.             System.out.println("加密后内容:" + encryptData);
    183.             // RSA解密(私钥)
    184.             String decryptData = decrypt(encryptData, getPrivateKey(privateKey));
    185.             System.out.println("解密后内容:" + decryptData);
    186.  
    187.             // RSA签名(私钥)
    188.             String sign = sign(data, getPrivateKey(privateKey));
    189.             // RSA验签(公钥)
    190.             boolean result = verify(data, getPublicKey(publicKey), sign);
    191.             System.out.print("验签结果:" + result);
    192.         } catch (Exception e) {
    193.             e.printStackTrace();
    194.             System.out.print("加解密异常");
    195.         }
    196.     }
    197. }

    其他加解密相关的知识和代码，可以参考我之前的文章：《Java核心技术 卷II》笔记——（12）安全&加密，编码技巧——验签&加密算法工具及支付下单签名；

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