第五章 非对称加密算法--DH--RSA

13.1、DH

• 非对称算法的基石
• 仅能用于密钥分配，不能用于加解密数据，一般加密数据用AES
• 密钥长度：512~1024中的64的整数倍
• 双方各有自己的密钥对

13.2、RSA

• 最经典的非对称加密算法
• 也可认为是使用最多的非对称加密算法
• 能用于密钥分配，也能用于加解密数据（“私钥加密，公钥解密”和“公钥加密，私钥解密”）
• 密钥长度：512~65536（64的整数倍）
• 只有发送方有一个密钥对，或者更安全的做法是：双发均生成自己的密钥对，但是后边使用密钥对进行加解密时与DH的区别查看前一章
• 可用于数字签名

13.3、ElGamal

• 数字签名DSA的基础
• 具体实现方式只有BC有，与RSA的实现方式类似
• 只有“公钥加密，私钥加密”方式（公钥加密实际上安全性不高）
• 密文会成倍扩张

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

1 package com.util.dh;
  2
  3 import java.io.UnsupportedEncodingException;
  4 import java.security.InvalidAlgorithmParameterException;
  5 import java.security.InvalidKeyException;
  6 import java.security.Key;
  7 import java.security.KeyFactory;
  8 import java.security.KeyPair;
  9 import java.security.KeyPairGenerator;
 10 import java.security.NoSuchAlgorithmException;
 11 import java.security.PrivateKey;
 12 import java.security.PublicKey;
 13 import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
 14 import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
 15 import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
 16
 17 import javax.crypto.BadPaddingException;
 18 import javax.crypto.Cipher;
 19 import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
 20 import javax.crypto.KeyAgreement;
 21 import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
 22 import javax.crypto.interfaces.DHPublicKey;
 23 import javax.crypto.spec.DHParameterSpec;
 24 import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
 25
 26 import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
 27
 28 /**
 29  * 基于JDK的DH算法，工作模式采用ECB
 30  */
 31 public class DHJDK {
 32     private static final String ENCODING = "UTF-8";
 33     private static final String FDC_KEY_ALGORITHM = "DH";//非对称加密密钥算法
 34     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）
 35     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
 36     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）
 37
 38     /**
 39      * 生成甲方密钥对
 40      */
 41     public static KeyPair initKey() throws NoSuchAlgorithmException{
 42         KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(FDC_KEY_ALGORITHM);//密钥对生成器
 43         keyPairGenerator.initialize(FDC_KEY_SIZE);//指定密钥长度
 44         KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();//生成密钥对
 45         return keyPair;
 46     }
 47
 48     /**
 49      * 生成乙方密钥对
 50      * @param key 甲方公钥
 51      */
 52     public static KeyPair initKey(byte[] key) throws NoSuchAlgorithmException,
 53                                                      InvalidKeySpecException,
 54                                                      InvalidAlgorithmParameterException{
 55         KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(FDC_KEY_ALGORITHM);//密钥工厂
 56         PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(key));//还原甲方公钥
 57         DHParameterSpec dHParameterSpec = ((DHPublicKey)publicKey).getParams();
 58
 59         KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());//乙方密钥对生成器
 60         keyPairGenerator.initialize(dHParameterSpec);//使用甲方公钥参数初始化乙方密钥对生成器
 61         KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();//生成密钥对
 62         return keyPair;
 63     }
 64
 65     /**
 66      * DH加密
 67      * @param data     带加密数据
 68      * @param keyByte  本地密钥，由getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey)产生
 69      */
 70     public static byte[] encrypt(String data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
 71                                                                      NoSuchPaddingException,
 72                                                                      InvalidKeyException,
 73                                                                      IllegalBlockSizeException,
 74                                                                      BadPaddingException,
 75                                                                      UnsupportedEncodingException {
 76         Key key = new SecretKeySpec(keyByte, DC_KEY_ALGORITHM);//生成本地密钥
 77
 78         Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
 79         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);//设置加密模式并且初始化key
 80         return cipher.doFinal(data.getBytes(ENCODING));
 81     }
 82
 83     /**
 84      * DH解密
 85      * @param data        待解密数据为字节数组
 86      * @param keyByte    本地密钥，由getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey)产生
 87      */
 88     public static byte[] decrypt(byte[] data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
 89                                                                      NoSuchPaddingException,
 90                                                                      InvalidKeyException,
 91                                                                      IllegalBlockSizeException,
 92                                                                      BadPaddingException {
 93         Key key = new SecretKeySpec(keyByte, DC_KEY_ALGORITHM);//生成本地密钥
 94         Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
 95         cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
 96         return cipher.doFinal(data);
 97     }
 98
 99     /**
100      * 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）
101      * @param publicKey        对方公钥
102      * @param privateKey    本方私钥
103      */
104     public static byte[] getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey) throws NoSuchAlgorithmException,
105                                                                                   InvalidKeySpecException,
106                                                                                   InvalidKeyException{
107         KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(FDC_KEY_ALGORITHM);//密钥工厂
108         PublicKey pubkey = keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));//还原公钥
109         PrivateKey prikey = keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));//还原私钥
110
111         KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
112         keyAgreement.init(prikey);
113         keyAgreement.doPhase(pubkey, true);
114         return keyAgreement.generateSecret(DC_KEY_ALGORITHM).getEncoded();//生成本地密钥（对称加密的密钥）
115     }
116
117     /**
118      * 获取公钥
119      */
120     public static byte[] getPublicKey(KeyPair keyPair){
121         return keyPair.getPublic().getEncoded();
122     }
123
124     /**
125      * 获取私钥
126      */
127     public static byte[] getPrivateKey(KeyPair keyPair){
128         return keyPair.getPrivate().getEncoded();
129     }
130
131     /**
132      * 测试
133      */
134     public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException,
135                                                   InvalidKeySpecException,
136                                                   InvalidAlgorithmParameterException,
137                                                   InvalidKeyException,
138                                                   NoSuchPaddingException,
139                                                   IllegalBlockSizeException,
140                                                   BadPaddingException,
141                                                   UnsupportedEncodingException {
142         byte[] pubKey1;//甲方公钥
143         byte[] priKey1;//甲方私钥
144         byte[] key1;//甲方本地密钥
145         byte[] pubKey2;//乙方公钥
146         byte[] priKey2;//乙方私钥
147         byte[] key2;//乙方本地密钥
148
149         /*********************测试是否可以正确生成以上6个key，以及key1与key2是否相等*********************/
150         KeyPair keyPair1 = DHJDK.initKey();//生成甲方密钥对
151         pubKey1 = DHJDK.getPublicKey(keyPair1);
152         priKey1 = DHJDK.getPrivateKey(keyPair1);
153
154         KeyPair keyPair2 = DHJDK.initKey(pubKey1);//根据甲方公钥生成乙方密钥对
155         pubKey2 = DHJDK.getPublicKey(keyPair2);
156         priKey2 = DHJDK.getPrivateKey(keyPair2);
157
158         key1 = DHJDK.getSecretKey(pubKey2, priKey1);//使用对方公钥和自己私钥构建本地密钥
159         key2 = DHJDK.getSecretKey(pubKey1, priKey2);//使用对方公钥和自己私钥构建本地密钥
160
161         System.out.println("甲方公钥pubKey1-->"+Base64.encodeBase64String(pubKey1)+"@@pubKey1.length-->"+pubKey1.length);
162         System.out.println("甲方私钥priKey1-->"+Base64.encodeBase64String(priKey1)+"@@priKey1.length-->"+priKey1.length);
163         System.out.println("乙方公钥pubKey2-->"+Base64.encodeBase64String(pubKey2)+"@@pubKey2.length-->"+pubKey2.length);
164         System.out.println("乙方私钥priKey2-->"+Base64.encodeBase64String(priKey2)+"@@priKey2.length-->"+priKey2.length);
165         System.out.println("甲方密钥key1-->"+Base64.encodeBase64String(key1));
166         System.out.println("乙方密钥key2-->"+Base64.encodeBase64String(key2));
167
168         /*********************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*********************/
169         System.out.println("甲方-->乙方");
170         String data = "找一个好姑娘啊！";
171         byte[] encodeStr = DHJDK.encrypt(data, key1);
172         System.out.println("甲方加密后的数据-->"+Base64.encodeBase64String(encodeStr));
173         byte[] decodeStr = DHJDK.decrypt(encodeStr, key2);
174         System.out.println("乙方解密后的数据-->"+new String(decodeStr,"UTF-8"));
175
176         /*********************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*********************/
177         System.out.println("乙方-->甲方");
178         String data2 = "找一个好姑娘啊！";
179         byte[] encodeStr2 = DHJDK.encrypt(data2, key2);
180         System.out.println("乙方加密后的数据-->"+Base64.encodeBase64String(encodeStr2));
181         byte[] decodeStr2 = DHJDK.decrypt(encodeStr, key1);
182         System.out.println("甲方解密后的数据-->"+new String(decodeStr2,"UTF-8"));
183     }
184 }

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

12.1、RSA（最经典的非对称加密算法）

特点：

• 使用一套密钥即可完成加解密（与DH不同）
• 与DH不同的第二点是，RSA自己可以完成加解密，而DH需要依赖于对称加密算法
• “私钥加密，公钥解密”或“公钥加密，私钥解密”
• 公钥长度远小于私钥长度（对下边的代码进行测试，自己比较结果）

加解密流程：

1）发送方（假设为甲方）构建密钥对，自己保留私钥，将公钥发送给接收方（假设为乙方）

2）甲方使用密钥对消息进行加密，乙方使用公钥对消息解密（“私钥加密，公钥解密”）或者乙方使用公钥对消息进行加密，甲方使用私钥对消息解密（“公钥加密，私钥解密”）

注意：公钥加密方式存在安全隐患，如果需要更加安全的方式，就需要甲乙双方均存一份密钥对，仅仅使用“私钥加密，公钥解密”的方式，这种方式与DH类似，但是不同，在DH中甲乙双方各自保留着自己的公钥+私钥，而更安全的RSA是甲乙方法均保存着自己的私钥与对方的公钥，这是RSA与DH的第三点不同。

实现方式：

• JDK（工作模式只有ECB，填充方式可以采用PKCS1Padding，没有PKCS5Padding，密钥长度：512~65536（64的整数倍））
• Bouncy Castle（BC，工作模式没有，填充方式可以采用PKCS1Padding，没有PKCS7Padding，密钥长度：512~65536（64的整数倍））

基于JDK实现的RSA加解密代码：

1 package RSAJDK;
  2
  3 import java.io.UnsupportedEncodingException;
  4 import java.security.InvalidKeyException;
  5 import java.security.KeyFactory;
  6 import java.security.KeyPair;
  7 import java.security.KeyPairGenerator;
  8 import java.security.NoSuchAlgorithmException;
  9 import java.security.PrivateKey;
 10 import java.security.PublicKey;
 11 import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
 12 import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
 13 import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
 14
 15 import javax.crypto.BadPaddingException;
 16 import javax.crypto.Cipher;
 17 import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
 18 import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
 19
 20 import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
 21
 22 /**
 23  * 基于JDK的RSA算法，工作模式采用ECB
 24  */
 25 public class RSAJDK {
 26     private static final String ENCODING = "UTF-8";
 27     private static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";//非对称加密密钥算法
 28     private static final String CIPHER_ALGORITHM = "RSA/ECB/PKCS1Padding";//加解密算法 格式：算法/工作模式/填充模式
 29     private static final int KEY_SIZE = 512;//非对称密钥长度（512~1024之间的64的整数倍）
 30
 31     /**
 32      * 还原公钥
 33      * @param pubKey 二进制公钥
 34      */
 35     public static PublicKey toPublicKey(byte[] pubKey) throws NoSuchAlgorithmException,
 36                                                               InvalidKeySpecException{
 37         KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);//密钥工厂
 38         return keyFactory.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(pubKey));//还原公钥
 39     }
 40
 41     /**
 42      * 还原私钥
 43      * @param priKey 二进制私钥
 44      */
 45     public static PrivateKey toPrivateKey(byte[] priKey) throws NoSuchAlgorithmException,
 46                                                                 InvalidKeySpecException{
 47         KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);//密钥工厂
 48         return keyFactory.generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(priKey));//还原私钥
 49     }
 50
 51     /**
 52      * 生成甲方密钥对
 53      */
 54     public static KeyPair initKey() throws NoSuchAlgorithmException{
 55         KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);//密钥对生成器
 56         keyPairGenerator.initialize(KEY_SIZE);//指定密钥长度
 57         KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();//生成密钥对
 58         return keyPair;
 59     }
 60
 61     /**
 62      * 私钥加密
 63      * @param data     待加密数据
 64      * @param keyByte  私钥
 65      */
 66     public static byte[] encryptPriKey(String data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
 67                                                                            InvalidKeySpecException,
 68                                                                            NoSuchPaddingException,
 69                                                                            InvalidKeyException,
 70                                                                            IllegalBlockSizeException,
 71                                                                            BadPaddingException,
 72                                                                            UnsupportedEncodingException {
 73         PrivateKey priKey = toPrivateKey(keyByte);//还原私钥
 74
 75         Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
 76         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, priKey);//设置加密模式并且初始化key
 77         return cipher.doFinal(data.getBytes(ENCODING));
 78     }
 79
 80     /**
 81      * 公钥加密
 82      * @param data        待加密数据
 83      * @param keyByte    公钥
 84      */
 85     public static byte[] encryptPubKey(String data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
 86                                                                            InvalidKeySpecException,
 87                                                                            NoSuchPaddingException,
 88                                                                            InvalidKeyException,
 89                                                                            IllegalBlockSizeException,
 90                                                                            BadPaddingException,
 91                                                                            UnsupportedEncodingException {
 92         PublicKey pubKey = toPublicKey(keyByte);//还原公钥
 93
 94         Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
 95         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);//设置加密模式并且初始化key
 96         return cipher.doFinal(data.getBytes(ENCODING));
 97     }
 98
 99     /**
100      * 私钥解密
101      * @param data        待解密数据
102      * @param keyByte    私钥
103      */
104     public static byte[] decryptPriKey(byte[] data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
105                                                                            InvalidKeySpecException,
106                                                                            NoSuchPaddingException,
107                                                                            InvalidKeyException,
108                                                                            IllegalBlockSizeException,
109                                                                            BadPaddingException {
110         PrivateKey priKey = toPrivateKey(keyByte);//还原私钥
111
112         Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
113         cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey);
114         return cipher.doFinal(data);
115     }
116
117     /**
118      * 公钥解密
119      * @param data
120      * @param keyByte    公钥
121      */
122     public static byte[] decryptPubKey(byte[] data, byte[] keyByte) throws NoSuchAlgorithmException,
123                                                                            InvalidKeySpecException,
124                                                                            NoSuchPaddingException,
125                                                                            InvalidKeyException,
126                                                                            IllegalBlockSizeException,
127                                                                            BadPaddingException {
128         PublicKey pubKey = toPublicKey(keyByte);//还原公钥
129
130         Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
131         cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, pubKey);
132         return cipher.doFinal(data);
133     }
134
135     /**
136      * 获取公钥
137      */
138     public static byte[] getPublicKey(KeyPair keyPair){
139         return keyPair.getPublic().getEncoded();
140     }
141
142     /**
143      * 获取私钥
144      */
145     public static byte[] getPrivateKey(KeyPair keyPair){
146         return keyPair.getPrivate().getEncoded();
147     }
148
149     /**
150      * 测试
151      */
152     public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException,
153                                                   InvalidKeyException,
154                                                   InvalidKeySpecException,
155                                                   NoSuchPaddingException,
156                                                   IllegalBlockSizeException,
157                                                   BadPaddingException,
158                                                   UnsupportedEncodingException{
159         byte[] pubKey1;//甲方公钥
160         byte[] priKey1;//甲方私钥
161
162         /*********************测试是否可以正确生成以上2个key*********************/
163         KeyPair keyPair1 = RSAJDK.initKey();//生成甲方密钥对
164         pubKey1 = RSAJDK.getPublicKey(keyPair1);
165         priKey1 = RSAJDK.getPrivateKey(keyPair1);
166
167         System.out.println("甲方公钥pubKey1-->"+Base64.encodeBase64String(pubKey1)+"@@pubKey1.length-->"+pubKey1.length);
168         System.out.println("甲方私钥priKey1-->"+Base64.encodeBase64String(priKey1)+"@@priKey1.length-->"+priKey1.length);
169
170         /*********************测试甲方使用私钥加密数据向乙方发送，乙方使用公钥解密数据*********************/
171         System.out.println("甲方-->乙方");
172         String data = "找一个好姑娘啊！";
173         byte[] encodeStr = RSAJDK.encryptPriKey(data, priKey1);
174         System.out.println("甲方加密后的数据-->"+Base64.encodeBase64String(encodeStr));
175         byte[] decodeStr = RSAJDK.decryptPubKey(encodeStr, pubKey1);
176         System.out.println("乙方解密后的数据-->"+new String(decodeStr,"UTF-8"));
177
178         /*********************测试乙方使用私钥加密数据向甲方发送，甲方使用公钥解密数据*********************/
179         System.out.println("乙方-->甲方");
180         String data2 = "找一个好姑娘啊！";
181         byte[] encodeStr2 = RSAJDK.encryptPubKey(data2, pubKey1);
182         System.out.println("乙方加密后的数据-->"+Base64.encodeBase64String(encodeStr2));
183         byte[] decodeStr2 = RSAJDK.decryptPriKey(encodeStr2, priKey1);
184         System.out.println("甲方解密后的数据-->"+new String(decodeStr2,"UTF-8"));
185     }
186 }

注意：

自己若看了DH算法，试着比较一下RSA算法与DH的区别，并使这些一下更安全的RSA算法（生成两个密钥对，其实就是在上述的代码中再添加一个乙方的密钥对生成方法即可）