RSA加解密及使用

一.RSA简介

RSA是一种非对称加密算法，它使用一对密钥来进行加解密，分别称为公钥和私钥。
RSA算法的安全性与可靠性的基础：对一个极大整数做因数分解是很困难的。

对称加密与非对称加密的区别：

• 对称加密：加密和解密使用同一个密钥
• 非对称加密：加密和解密使用不同的密钥

RSA 比 AES、DES 等对称算法慢得多。一般在实际数据传输时，用 RSA 来加密比较短的对称密码，双方交换密码后再使用 DES 等对称算法传输数据。

二.应用：加密与签名认证

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？其实都是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。

第一个场景：战场上，B要给A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。
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。

第二个场景：A收到B发的消息后，需要进行回复“收到”。

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，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。

三.其它常见应用

• 通过Linux 或者Mac 的Terminal使用ssh命令，登录远程主机（将公钥追加到authorized_keys，可以免密码登录）
• github网站，可以以ssh协议方式，上传下载（将自己的公钥交给github，然后自己保留对应的私钥，这样git push或者git pull不再需要输入密码）

相关文件：
比如Linux Terminal使用ssh存在三种类型的文件，每台机器都可以具有它们。

• id_rsa.pub 和 id_rsa：保存每个角色各种的公钥，私钥
• known_hosts：保存一些可信赖的远程主机的公钥，如果连接的主机不在其中，那么会输出提示对方的公钥指纹，这个时候就需要权衡，如到网站看指纹是否正确，从而避免中间人攻击
• authorized_keys：保存被设置为免密码登录机器的公钥

四.Java代码示例

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

import javax.crypto.Cipher;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.security.*;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

/**
 * @author liaosi
 * @date 2020-03-05
 */
public class RSATest {


    private static KeyFactory keyFactory;

    /* 签名认证 */
    private static Signature signature;

    /*  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;


    static {
        try {
            keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
            signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 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 {
        byte[] decodedKey = Base64.decodeBase64(privateKey);
        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 {
        byte[] decodedKey = Base64.decodeBase64(publicKey);
        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 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);
        PrivateKey key = keyFactory.generatePrivate(keySpec);
        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);
        PublicKey key = keyFactory.generatePublic(keySpec);
        signature.initVerify(key);
        signature.update(srcData.getBytes());
        return signature.verify(Base64.decodeBase64(sign));
    }


    /**
     * RSA公钥加密
     *
     * @param str       加密字符串
     * @param publicKey 公钥
     * @return 密文
     * @throws Exception 加密过程中的异常信息
     */
    public static String encrypt(String str, String publicKey) throws Exception {
        //base64编码的公钥
        byte[] decoded = Base64.decodeBase64(publicKey);
        RSAPublicKey pubKey = (RSAPublicKey) KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(new X509EncodedKeySpec(decoded));
        //RSA加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
        String outStr = Base64.encodeBase64String(cipher.doFinal(str.getBytes("UTF-8")));
        return outStr;
    }

    /**
     * RSA私钥解密
     *
     * @param str        加密字符串
     * @param privateKey 私钥
     * @return 铭文
     * @throws Exception 解密过程中的异常信息
     */
    public static String decrypt(String str, String privateKey) throws Exception {
        //64位解码加密后的字符串
        byte[] inputByte = Base64.decodeBase64(str.getBytes("UTF-8"));
        //base64编码的私钥
        byte[] decoded = Base64.decodeBase64(privateKey);
        RSAPrivateKey priKey = (RSAPrivateKey) KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(decoded));
        //RSA解密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey);
        String outStr = new String(cipher.doFinal(inputByte));
        return outStr;
    }


    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 = "这是一段明文...";
            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1:" + decryptData);
            System.out.println("解密后内容2:" + decrypt(encryptData, privateKey));

            // 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();
        }
    }
}