第十一章 非对称加密算法--DH

注意：本节内容主要参考自《Java加密与解密的艺术（第2版）》第8章“高等加密算法--非对称加密算法”

11.1、非对称加密算法

特点：

• 发送方和接收方均有一个密钥对（公钥+私钥），其中公钥传播，私钥自己保存，不需要传播
• 私钥不需要传播的特性解决了对称加密算法中密钥传播的困难（这个困难一般通过线下传递可以解决）
• 加密安全性极高，只用于一些电子商务网站，加解密速度远低于对称加密
• 一般情况下，为了解决非对称加密算法加解密速度低的问题，采用非对称加密（使用公钥+私钥对对称加密的密钥进行加解密）+对称加密（加解密数据）相结合的方式。

常见算法：

• DH（非对称加密的基石）
• RSA（非对称加密的经典，除了可用于非对称加密，也可用于数字签名，RSA--155(512位密钥)已被破解）
• ElGamal

11.2、DH（仅能用于密钥分配，不能加解密数据）

实现方式：

• JDK（密钥长度：512~1024中的64的整数倍）

几个概念：

• 密钥对：公钥+私钥
• 本地密钥：对称加密的密钥

整个流程：

1）甲乙双方初始化各自的密钥对

甲方构建出密钥对keyPair1-->乙方使用甲方的密钥对中的公钥publicKey1构建出自己的密钥对keyPair2

2）甲乙双方构建各自的本地密钥

甲方使用自己的私钥privateKey1+乙方的公钥publicKey2构建出自己的本地密钥key1

乙方使用自己的私钥privateKey2+甲方的公钥publicKey1构建出自己的本地密钥key2

最后会发现key1==key2，这两个本地密钥将会是接下来对对称加密所使用的密钥

3）发送方（甲方或乙方均可）使用本地密钥+对称加密算法对待加密数据进行加密，传递给接收方

4）接收方使用本地密钥+对称加密算法对待解密数据进行解密

package com.util.dh;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.InvalidAlgorithmParameterException;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.Key;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

import javax.crypto.BadPaddingException;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
import javax.crypto.KeyAgreement;
import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
import javax.crypto.interfaces.DHPublicKey;
import javax.crypto.spec.DHParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

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

/**
 * 基于JDK的DH算法，工作模式采用ECB
 */
public class DHJDK {
    private static final String ENCODING = "UTF-8";
    private static final String FDC_KEY_ALGORITHM = "DH";//非对称加密密钥算法
    private static final String DC_KEY_ALGORITHM = "AES";//产生本地密钥的算法（对称加密密钥算法）
    private static final String CIPHER_ALGORITHM = "AES/ECB/PKCS5Padding";//加解密算法 格式：算法/工作模式/填充模式 注意：ECB不使用IV参数
    private static final int FDC_KEY_SIZE = 512;//非对称密钥长度（512~1024之间的64的整数倍）

    /**
     * 生成甲方密钥对
     */
    public static KeyPair initKey() throws NoSuchAlgorithmException{
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(FDC_KEY_ALGORITHM);//密钥对生成器
        keyPairGenerator.initialize(FDC_KEY_SIZE);//指定密钥长度
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();//生成密钥对
        return keyPair;
    }

    /**
     * 生成乙方密钥对
     * @param key 甲方公钥
     */
    public static KeyPair initKey(byte[] key) throws NoSuchAlgorithmException,
                                                     InvalidKeySpecException,
                                                     InvalidAlgorithmParameterException{
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(FDC_KEY_ALGORITHM);//密钥工厂
        PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(key));//还原甲方公钥
        DHParameterSpec dHParameterSpec = ((DHPublicKey)publicKey).getParams();

        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());//乙方密钥对生成器
        keyPairGenerator.initialize(dHParameterSpec);//使用甲方公钥参数初始化乙方密钥对生成器
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();//生成密钥对
        return keyPair;
    }

    /**
     * DH加密
     * @param data     带加密数据
     * @param keyByte  本地密钥，由getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey)产生
     */
    public static byte[] encrypt(String data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
                                                                     NoSuchPaddingException,
                                                                     InvalidKeyException,
                                                                     IllegalBlockSizeException,
                                                                     BadPaddingException,
                                                                     UnsupportedEncodingException {
        Key key = new SecretKeySpec(keyByte, DC_KEY_ALGORITHM);//生成本地密钥

        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);//设置加密模式并且初始化key
        return cipher.doFinal(data.getBytes(ENCODING));
    }

    /**
     * DH解密
     * @param data        待解密数据为字节数组
     * @param keyByte    本地密钥，由getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey)产生
     */
    public static byte[] decrypt(byte[] data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
                                                                     NoSuchPaddingException,
                                                                     InvalidKeyException,
                                                                     IllegalBlockSizeException,
                                                                     BadPaddingException {
        Key key = new SecretKeySpec(keyByte, DC_KEY_ALGORITHM);//生成本地密钥
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    /**
     * 根据本方私钥与对方公钥构建本地密钥（即对称加密的密钥）
     * @param publicKey        对方公钥
     * @param privateKey    本方私钥
     */
    public static byte[] getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey) throws NoSuchAlgorithmException,
                                                                                  InvalidKeySpecException,
                                                                                  InvalidKeyException{
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(FDC_KEY_ALGORITHM);//密钥工厂
        PublicKey pubkey = keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));//还原公钥
        PrivateKey prikey = keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));//还原私钥

        KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        keyAgreement.init(prikey);
        keyAgreement.doPhase(pubkey, true);
        return keyAgreement.generateSecret(DC_KEY_ALGORITHM).getEncoded();//生成本地密钥（对称加密的密钥）
    }

    /**
     * 获取公钥
     */
    public static byte[] getPublicKey(KeyPair keyPair){
        return keyPair.getPublic().getEncoded();
    }

    /**
     * 获取私钥
     */
    public static byte[] getPrivateKey(KeyPair keyPair){
        return keyPair.getPrivate().getEncoded();
    }

    /**
     * 测试
     */
    public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException,
                                                  InvalidKeySpecException,
                                                  InvalidAlgorithmParameterException,
                                                  InvalidKeyException,
                                                  NoSuchPaddingException,
                                                  IllegalBlockSizeException,
                                                  BadPaddingException,
                                                  UnsupportedEncodingException {
        byte[] pubKey1;//甲方公钥
        byte[] priKey1;//甲方私钥
        byte[] key1;//甲方本地密钥
        byte[] pubKey2;//乙方公钥
        byte[] priKey2;//乙方私钥
        byte[] key2;//乙方本地密钥

        /*********************测试是否可以正确生成以上6个key，以及key1与key2是否相等*********************/
        KeyPair keyPair1 = DHJDK.initKey();//生成甲方密钥对
        pubKey1 = DHJDK.getPublicKey(keyPair1);
        priKey1 = DHJDK.getPrivateKey(keyPair1);

        KeyPair keyPair2 = DHJDK.initKey(pubKey1);//根据甲方公钥生成乙方密钥对
        pubKey2 = DHJDK.getPublicKey(keyPair2);
        priKey2 = DHJDK.getPrivateKey(keyPair2);

        key1 = DHJDK.getSecretKey(pubKey2, priKey1);//使用对方公钥和自己私钥构建本地密钥
        key2 = DHJDK.getSecretKey(pubKey1, priKey2);//使用对方公钥和自己私钥构建本地密钥

        System.out.println("甲方公钥pubKey1-->"+Base64.encodeBase64String(pubKey1)+"@@pubKey1.length-->"+pubKey1.length);
        System.out.println("甲方私钥priKey1-->"+Base64.encodeBase64String(priKey1)+"@@priKey1.length-->"+priKey1.length);
        System.out.println("乙方公钥pubKey2-->"+Base64.encodeBase64String(pubKey2)+"@@pubKey2.length-->"+pubKey2.length);
        System.out.println("乙方私钥priKey2-->"+Base64.encodeBase64String(priKey2)+"@@priKey2.length-->"+priKey2.length);
        System.out.println("甲方密钥key1-->"+Base64.encodeBase64String(key1));
        System.out.println("乙方密钥key2-->"+Base64.encodeBase64String(key2));

        /*********************测试甲方使用本地密钥加密数据向乙方发送，乙方使用本地密钥解密数据*********************/
        System.out.println("甲方-->乙方");
        String data = "找一个好姑娘啊！";
        byte[] encodeStr = DHJDK.encrypt(data, key1);
        System.out.println("甲方加密后的数据-->"+Base64.encodeBase64String(encodeStr));
        byte[] decodeStr = DHJDK.decrypt(encodeStr, key2);
        System.out.println("乙方解密后的数据-->"+new String(decodeStr,"UTF-8"));

        /*********************测试乙方使用本地密钥加密数据向甲方发送，甲方使用本地密钥解密数据*********************/
        System.out.println("乙方-->甲方");
        String data2 = "找一个好姑娘啊！";
        byte[] encodeStr2 = DHJDK.encrypt(data2, key2);
        System.out.println("乙方加密后的数据-->"+Base64.encodeBase64String(encodeStr2));
        byte[] decodeStr2 = DHJDK.decrypt(encodeStr, key1);
        System.out.println("甲方解密后的数据-->"+new String(decodeStr2,"UTF-8"));
    }
}

注意点：

• 之前说的byte[]数组的比较可以通过依次比较两个数组中的元素进行比较，当然也可以将两个数组进行Base64编码（CC）或十六进制转换（BC/CC）成字符串进行比较
• 测试过程中，自己去测一下key1与key2是否相等，以及甲方发送加密数据，乙方接收数据并解密或者乙方发送加密数据，甲方接收数据并解密

疑问：在我配置非对称密钥为512的时候，测出来的公钥长度是228位，私钥长度是213位，与512差很远，那这里的512到底是怎么计算的？（希望知道的朋友给解释一下）