非对称加解密——RSA加密、解密以及数字签名

对称与非对称加解密，最主要区别在于：对称加密，加解密的密钥是一致的；非对称加密，加解密的密钥是不一致的；

对称加密的例子如另一篇文章中的DES加解密、3DES加解密。

这里要介绍的是非对称加解密中，应用最广泛的一种：RSA。

RSA简介

RSA的由来，你可以简单的百度到，它是由三位大神在1978年提出的一种高安全性的算法。

具体可看百度百科：RSA

在使用中，主要有三个步骤：RSA公私密钥对生成、加密、解密。

RSA中涉及概念的明晰

1、RSA公私密钥对，是哪里来的？

2、RSA比较容易让初接触者搞混的是，它是怎么加密、怎么解密，为什么要这么干？

3、RSA的数字签名是几个意思？

4、数字签名和RSA加解密要一起用吗？

我们一一来解答下这几个问题：

1）、RSA的公私密钥对，可以由一个类生成：KeyPairGenerator。看字面意思就知道这是密钥对生成的意思。具体如何生成，后续介绍；

2）、RSA的加密、解密：RSA有两种形式的加解密。

No.1:假如有待加密数据Data，那么可以用公钥加密Data，得到加密后的数据encryptData。这个时候，可以用私钥解密这个encryptData；

No.2:假如有待加密数据Data，那么可以用私钥加密Data，得到加密后的数据encryptData。这个时候，可以用公钥解密这个encryptData；

3）、RSA的数字签名，简单来说，就是私钥加密、公钥解密的一个过程。数字签名，包含签名、验证。你用私钥加密，这就是个签名过程，你用公钥解密，就是个验证过程。

数字签名的作用，是保证数据的真实性和完整性。

4）、数字签名和RSA的加解密不一定要一起使用，它们实际是独立的。

RSA加解密实例解析

对于上面提出的RSA的问题和解答，我们接着用实例来加以说明。

RSA公私密钥对的生成

[html] view plain copy

/**
* 生成公私密钥对
* @throws NoSuchAlgorithmException
* @throws IOException
*/
public static void generateKeys() throws NoSuchAlgorithmException, IOException {
/** RSA算法要求有一个可信任的随机数源 */
SecureRandom secureRandom=new SecureRandom();
/** 为RSA算法创建一个KeyPairGenerator对象 */
KeyPairGenerator keyPairGenerator=KeyPairGenerator.getInstance(TAG);
/** 利用上面的随机数据源初始化这个KeyPairGenerator对象 */
keyPairGenerator.initialize(1024, secureRandom);
/** 生成密匙对 */
KeyPair keyPair=keyPairGenerator.generateKeyPair();
/** 得到公钥 */
java.security.Key publicKey=keyPair.getPublic();
/** 得到私钥 */
java.security.Key privateKey=keyPair.getPrivate();
//对象流形式写入公钥
ObjectOutputStream outputStream=new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(PUBLCIKEY));
outputStream.writeObject(publicKey);
outputStream.flush();
outputStream.close();
//对象流形式写入私钥
ObjectOutputStream outputStream1=new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(PRIVATEKEY));
outputStream1.writeObject(privateKey);
outputStream1.flush();
outputStream1.close();
}

以上函数，每一行基本都添加了说明。

（1）用KeyPairGenerator生成一个公私密钥对（使用时，需要获取一个对象，这里的TAG=RSA）；

（2）生成的过程中我们需要一个随机数源、初始化时需要一个大小限制（这里设置为1024，可在512-65536之间浮动，希望数字没记错）；

（3）密钥对生成后，我们用对象流形式保存公私密钥对。为什么用对象流形式保存，因为后续使用起来，你会感觉更方便。

RSA公钥加密，私钥解密

这是最常用到的模式。为什么这么使用，因为在RSA的密钥分配中，你是将私钥自己保留着，而将公钥公开。私钥具有唯一性，只有自己知道。公钥是广泛分布的，可以认为大家都知道的。

当你想让其他人给你发送一条加密数据的时候，你首先把公钥给他，他用公钥加密数据，并把公钥加密后的数据发送给你。你这就可以用私钥来解密了。而如果其他人拿到他发送的数据，是没有办法解密的，因为私钥只在你手中。

这就保证了数据不会被外人解析。

具体的实现代码：

[html] view plain copy

/**
* 公钥加密
* @param str 待加密数据
* @return 加密后的数据
* @throws ClassNotFoundException
* @throws IOException
* @throws NoSuchAlgorithmException
* @throws NoSuchPaddingException
* @throws InvalidKeyException
* @throws IllegalBlockSizeException
* @throws BadPaddingException
*/
public static byte[] encrypt(String str) throws ClassNotFoundException, IOException, NoSuchAlgorithmException, NoSuchPaddingException, InvalidKeyException, IllegalBlockSizeException, BadPaddingException
{
ObjectInputStream objectInputStream=new ObjectInputStream(new FileInputStream(PUBLCIKEY));
java.security.Key publicKey2= (java.security.Key)objectInputStream.readObject();
objectInputStream.close();
/** 得到Cipher对象来实现对源数据的RSA加密 */
Cipher cipher=Cipher.getInstance(TAG);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey2);
byte[] encryptedData=str.getBytes();
int inputLen = encryptedData.length;
ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
int offSet = 0;
byte[] cache;
int i = 0;
// 对数据分段加密 doFinal
while (inputLen - offSet > 0) {
if (inputLen - offSet > MAX_ENCRYPT_BLOCK) {
cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, MAX_ENCRYPT_BLOCK);
} else {
cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, inputLen - offSet);
}
out.write(cache, 0, cache.length);
i++;
offSet = i * MAX_ENCRYPT_BLOCK;
}
byte[] encryptedDatas = out.toByteArray();
out.close();
return encryptedDatas;
}
/**
* 私钥解密
* @param encryString 公钥加密后的数据
* @return 解密后数据
* @throws FileNotFoundException
* @throws IOException
* @throws ClassNotFoundException
* @throws InvalidKeyException
* @throws NoSuchAlgorithmException
* @throws NoSuchPaddingException
* @throws IllegalBlockSizeException
* @throws BadPaddingException
*/
public static byte[] decrypt(byte[] encryString) throws FileNotFoundException, IOException, ClassNotFoundException, InvalidKeyException, NoSuchAlgorithmException, NoSuchPaddingException, IllegalBlockSizeException, BadPaddingException
{
ObjectInputStream objectInputStream=new ObjectInputStream(new FileInputStream(PRIVATEKEY));
java.security.Key privatekey= (java.security.Key)objectInputStream.readObject();
objectInputStream.close();
Cipher cipher=Cipher.getInstance(TAG);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privatekey);
byte[] decryptedData=encryString;
int inputLen = decryptedData.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(decryptedData, offSet, MAX_DECRYPT_BLOCK);
} else {
cache = cipher.doFinal(decryptedData, offSet, inputLen - offSet);
}
out.write(cache, 0, cache.length);
i++;
offSet = i * MAX_DECRYPT_BLOCK;
}
byte[] decryptedDatas = out.toByteArray();
out.close();
return decryptedDatas;
}

这是代码中的公钥加密、私钥解密的写法。

其实，仔细看这两段代码，你可以看到：

（1）它们的重点都在Cipher这个类，所不同的是加密和解密的初始化是不一样的。ENCRYPT_MODE，加密；DECRYPT_MODE，解密；

（2）加解密的重点可以归纳为：Cipher获取对象（Cipher.getInstance(TAG)）、Cipher初始化（cipher.init）、Cipher加解密（cipher.doFinal）；

（3）为什么我要对数据进行分段加解密：因为当你加密的字符串超过117或者解密数据超过128时，会出现错误，如：Data must not be longer than 128 bytes 。

通过以上的操作，你其实已经可以做一个测试实验了。生成一对公私密钥对，然后用公钥加密，私钥解密。你会发现，结果如你所想。

RSA私钥加密，公钥解密

我们通过公钥加密，私钥解密，已经实现了。那么，我们反过来用吗，用私钥加密，公钥解密？

答案是可以的。

模式和以前类似，我们贴两段代码来see see：

[html] view plain copy

/**
* 获取私钥加密后的数据
* @param data 待加密数据
* @return 私钥加密后的数据
* @throws IOException
* @throws ClassNotFoundException
* @throws NoSuchAlgorithmException
* @throws NoSuchPaddingException
* @throws InvalidKeyException
* @throws IllegalBlockSizeException
* @throws BadPaddingException
*/
public static byte[] encryptByPrivateKey(String data) throws IOException, ClassNotFoundException, NoSuchAlgorithmException, NoSuchPaddingException, InvalidKeyException, IllegalBlockSizeException, BadPaddingException
{
ObjectInputStream objectInputStream=new ObjectInputStream(new FileInputStream(PRIVATEKEY));
java.security.Key privatekey= (java.security.Key)objectInputStream.readObject();
objectInputStream.close();
/** 得到Cipher对象来实现对源数据的RSA加密 */
Cipher cipher=Cipher.getInstance(TAG);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privatekey);
byte[] encryptedData=data.getBytes();
int inputLen = encryptedData.length;
ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
int offSet = 0;
byte[] cache;
int i = 0;
// 对数据分段解密 doFinal
while (inputLen - offSet > 0) {
if (inputLen - offSet > MAX_ENCRYPT_BLOCK) {
cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, MAX_ENCRYPT_BLOCK);
} else {
cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, inputLen - offSet);
}
out.write(cache, 0, cache.length);
i++;
offSet = i * MAX_ENCRYPT_BLOCK;
}
byte[] encryptedDatas = out.toByteArray();
out.close();
return encryptedDatas;
}
/**
* 用公钥解密数据
* @param encryptData 加密后的数据
* @return 公钥解密后的数据
* @throws NoSuchPaddingException
* @throws NoSuchAlgorithmException
* @throws IOException
* @throws InvalidKeyException
* @throws ClassNotFoundException
* @throws BadPaddingException
* @throws IllegalBlockSizeException
*/
public static byte[] decryptByPublicKey(byte[] encryptedData) throws NoSuchAlgorithmException, NoSuchPaddingException, IOException, InvalidKeyException, ClassNotFoundException, IllegalBlockSizeException, BadPaddingException
{
ObjectInputStream objectInputStream=new ObjectInputStream(new FileInputStream(PUBLCIKEY));
java.security.Key publicKey2= (java.security.Key)objectInputStream.readObject();
objectInputStream.close();
Cipher cipher=Cipher.getInstance(TAG);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey2);
int inputLen = encryptedData.length;
ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
int offSet = 0;
byte[] cache;
int i = 0;
// 对数据分段解密 doFinal
while (inputLen - offSet > 0) {
if (inputLen - offSet > MAX_DECRYPT_BLOCK) {
cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, MAX_DECRYPT_BLOCK);
} else {
cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, inputLen - offSet);
}
out.write(cache, 0, cache.length);
i++;
offSet = i * MAX_DECRYPT_BLOCK;
}
byte[] decryptedDatas = out.toByteArray();
out.close();
return decryptedDatas;
}

你会发现，私钥加密、公钥解密的写法和上面的公钥加密、私钥解密没什么大的区别，只是换了个顺序而已。你也可以解密出正确的数据。

那这就出现了两个担忧：

（1）公钥是公开的！你用私钥加密后，发出的数据，如果有保密性要求，这么做是无法保密的，所有知道公钥的人，都可以解密你的数据；

（2）解密了你的数据的人，有可能篡改你的数据。

因此，这个过程是有风险的。你的数据保密性和真实完整性得不到保障。

所以，一般情况下，如果你要保障你的数据保密性不会用这样的形式来。而是用公钥加密，私钥解密。

那如果要保证通讯双方数据的保密性，你要怎么做？

那这个私钥加密、公钥解密是用来干嘛的呢？数据的真实性、完整性如何得到保障呢？

这就需要后面要说的数字签名来解决和应用了。

数字签名

数字签名，目的其实与传统签名意义相差不大。它主要是为了证明，数据的真实性以及完整性。在传统签名中，你在一个刷卡单上签字，说明这个是得到你授权的真实交易。数字签名，是在数据的角度做了这个操作，保障数据是真实的。通过数据签名的验证，可以保障数据是没有被篡改和真实性。

那如何做这个数字签名呢？

我们分两个步骤来：

签名

首先，你要签名。

签名，首先你要准备几个参数：你拥有的私钥，这个是代表这数据是你的；待签名的数据；

[html] view plain copy

/**
* 数字签名
* @param str 加密过的数据
* @return 私钥对信息生成数字签名
* @throws NoSuchAlgorithmException
* @throws InvalidKeySpecException
* @throws SignatureException
* @throws InvalidKeyException
* @throws IOException
* @throws FileNotFoundException
* @throws ClassNotFoundException
*/
public static byte[] sign(byte[] encryptData) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException, SignatureException, InvalidKeyException, FileNotFoundException, IOException, ClassNotFoundException
{
ObjectInputStream objectInputStream=new ObjectInputStream(new FileInputStream(PRIVATEKEY));
PrivateKey privatekey3= (PrivateKey)objectInputStream.readObject();
objectInputStream.close();
/*
PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec=new PKCS8EncodedKeySpec(privatekey2.getEncoded());
KeyFactory keyFactory=KeyFactory.getInstance(TAG);
PrivateKey pKey=keyFactory.generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
*/
Signature signature=Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
signature.initSign(privatekey3);
signature.update(encryptData);
byte[] result= signature.sign();
return result;
}

代码分为两块：获取到私钥，用私钥初始化，加载想要签名的数据，最后返回签名数据。
那要如何验证呢？

验证

验证，你也需要提供几个参数：公钥、想要验证签名的数据、签名数据

我们也先看代码：

[html] view plain copy

/**
* 数字签名正确性验证
* @param encryptData 加密后的数据
* @param sign 数字签名
* @param publicKey 公钥
* @return 数字签名验签结果（true or false）
* @throws SignatureException
* @throws NoSuchAlgorithmException
* @throws InvalidKeySpecException
* @throws InvalidKeyException
* @throws IOException
* @throws FileNotFoundException
* @throws ClassNotFoundException
*/
public static boolean verifySign(byte[] encryptData,byte[] sign) throws SignatureException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException, InvalidKeyException, FileNotFoundException, IOException, ClassNotFoundException
{
ObjectInputStream objectInputStream=new ObjectInputStream(new FileInputStream(PUBLCIKEY));
PublicKey publicKey2= (PublicKey)objectInputStream.readObject();
objectInputStream.close();
/*
X509EncodedKeySpec keySpec=new X509EncodedKeySpec(publicKey2.getEncoded());
KeyFactory keyFactory=KeyFactory.getInstance(TAG);
PublicKey publicKey3= keyFactory.generatePublic(keySpec);
*/
Signature signature=Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
signature.initVerify(publicKey2);
signature.update(encryptData);
return signature.verify(sign);
}

这里代码也分为两块：获取到公钥、签名验证。

签名验证中，首先你用公钥初始化验证的类，然后加载想要验证的数据，最后用verify方法（参数是签名数据）来验证结果。这里返回的是true或者false；

运行效果

我们调用以上的方法，看看实际运行效果：

[html] view plain copy

String baseString="你是RSA吗？";
System.out.println("原始字符串为:"+baseString);
generateKeys();
System.out.println("公私秘钥对生成成功...");
System.out.println("公钥加密，私钥解密流程开始...");
byte[] encryptByte=encrypt(baseString);
System.out.println("加密后的密文为:"+new String( encryptByte));
String decryptString=new String(decrypt(encryptByte));
System.out.println("解密后的明文为："+decryptString);
System.out.println("公钥加密，私钥解密流程结束...\r\n");
System.out.println("私钥加密，公钥解密流程开始...");
byte[] privateEncryptData=encryptByPrivateKey(baseString);
System.out.println("私钥加密后的数据为："+new String(privateEncryptData));
byte[] publicDecryptData=decryptByPublicKey(privateEncryptData);
System.out.println("公钥解密-（私钥加密后的数据）为："+new String(publicDecryptData));
System.out.println("私钥加密，公钥解密流程结束...\r\n");
System.out.println("数字签名流程开始...");
byte[] signresult= sign(privateEncryptData);
System.out.println("数字签名为:"+new String(signresult));
boolean temp=verifySign(privateEncryptData, signresult);
System.out.println("数字签名验签结果为:"+temp);
System.out.println("数字签名流程结束...");

运行效果：

以上，就是文章主要讲的RSA加解密和数字签名的介绍。

在这个过程中，有几个要注意的地方：

注意点

1、Data must not be longer than 128 bytes 。这个就是上面提到的，加解密的长度限制问题。在做加解密时，要控制好待加密、待解密数据长度的控制，不要超过范围。用分段法解决该问题。

2、Data must start with zero。这个是你在byte[]型转String型，然后再转回byte[]型过程中，可能出现的编码问题。最好的办法是，只在显示的时候用String型，其他时候，数据传输等，用byte[]型即可。

源码

这里附上源码地址：

http://download.csdn.net/detail/yangzhaomuma/9387355

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