密码基础知识（2）以RSA为例说明加密、解密、签名、验签
一、RSA加密简介
RSA加密是一种非对称加密。是由一对密钥来进行加解密的过程，分别称为公钥和私钥。
具体查看密码基础知识（1）
二，公钥加密算法和签名算法
我们从公钥加密算法和签名算法的定义出发，用比较规范的语言来描述这一算法，以RSA为例。
2.1，RSA公钥加密体制
RSA公钥加密体质包含如下3个算法：KeyGen（密钥生成算法），Encrypt（加密算法）以及Decrypt（解密算法）。
1）
密钥生成算法以安全常数作为输入，输出一个公钥PK，和一个私钥SK。安全常数用于确定这个加密算法的安全性有多高，一般以加密算法使用的质数p的大小有关。
越大，质数p一般越大，保证体制有更高的安全性。在RSA中，密钥生成算法如下：算法首先随机产生两个不同大质数p和q，计算N=pq。随后，算法计算欧拉函数
接下来，算法随机选择一个小于的整数e，并计算e关于
的模反元素d。最后，公钥为PK=(N, e)，私钥为SK=（N, d）。
2）
加密算法以公钥PK和待加密的消息M作为输入，输出密文CT。在RSA中，加密算法如下：算法直接输出密文为
3）
解密算法以私钥SK和密文CT作为输入，输出消息M。在RSA中，解密算法如下：算法直接输出明文为。由于e和d在
下互逆，因此我们有：
2.2，RSA签名体制
签名体制同样包含3个算法：KeyGen（密钥生成算法），Sign（签名算法），Verify（验证算法）。
1）
密钥生成算法同样以安全常数作为输入，输出一个公钥PK和一个私钥SK。在RSA签名中，密钥生成算法与加密算法完全相同。
签名算法以私钥SK和待签名的消息M作为输入，输出签名。在RSA签名中，签名算法直接输出签名为
。注意，签名算法和RSA加密体制中的解密算法非常像。
3）
验证算法以公钥PK，签名以及消息M作为输入，输出一个比特值b。b=1意味着验证通过。b=0意味着验证不通过。在RSA签名中，验证算法首先计算
，随后对比M'与M，如果相等，则输出b=1，否则输出b=0。注意：验证算法和RSA加密体制中的加密算法非常像。
所以，在签名算法中，私钥用于对数据进行签名，公钥用于对签名进行验证。这也可以直观地进行理解：对一个文件签名，当然要用私钥，因为我们希望只有自己才能完成签字。验证过程当然希望所有人都能够执行，大家看到签名都能通过验证证明确实是我自己签的。
2.3，RSA公钥加密和签名的疑惑
从上面看感觉公钥加密和签名也没啥区别？
三、RSA加密、签名 白话区别
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？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，达到既不泄露也不被篡改，更能保证消息的安全性。
一般是公钥加密、私钥解密、私钥签名、公钥验签。
RSA加密：RSA密码体制是一种公钥密码体制，加密算法公开，以分配的密钥作为加密解密的关键。一般来说，在一对公私钥中，公钥和私钥都可以用来加密和解密，即公钥加密能且只能被对应的私钥进行解密，私钥加密能且只能被对应的公钥进行解密。但我们一般都用公钥加密，私钥解密，而且生成的私钥往往会比公钥蕴含了更多的信息量。（这里说的加密肯定是可逆的，不然直接销毁就可以了没必要再去加密，加密是为了保障数据的安全和验证身份。）
RSA签名：签名就是在这份资料后面增加一段强而有力的证明，以此证明这段信息的发布者和这段信息的有效性完整性。RSA签名常用的就是将这份信息进行hash，得到一个hash值，再将hash值加密作为签名，后缀在信息的末尾。接收方接到传输的资料后，使用私钥解密这段加密过的hash，得到hash值，然后对信息原文进行hash，对比两次hash是否一致（验签）。签名的过程是不可逆的，因为hash是不可逆的，毕竟那么大的文件被hash成一段字符串还能还原的话那就碉堡了。
1）在使用RSA进行通讯的时候，一般是两者结合，即：加密>签名>解密>验签 2）加密和可逆的，而签名是不可逆的（我们可以对一份资料用公钥加密，再用私钥解密，但我们对这份资料进行签名则是不可逆的，因为哈希本身是不可逆的。） 3）加密和签名都涉及到了加密，前者加密了信息，后者加密了信息的hash（前者使用加密保障内容不被泄露，后者使用加密用来身份验证。） 4）为什么签名是对信息hash之后加密，而不是加密一些特定的字符？ 这是因为防止中间人尝试向私钥拥有者反复发送一些特定的字符，得到加密后的信息，达到破解或者伪造之类的目的。所以用私钥随便加密信息是不安全的。
四、RSA加密、签名的方法，代码例子如下：
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 import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
12
13 public class TestRSA {
14
15 /**
16 * RSA最大加密明文大小
17 */
18 private static final int MAX_ENCRYPT_BLOCK = 117;
19
20 /**
21 * RSA最大解密密文大小
22 */
23 private static final int MAX_DECRYPT_BLOCK = 128;
24
25 /**
26 * 获取密钥对
27 *
28 * @return 密钥对
29 */
30 public static KeyPair getKeyPair() throws Exception {
31 KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
32 generator.initialize(1024);
33 return generator.generateKeyPair();
34 }
35
36 /**
37 * 获取私钥
38 *
39 * @param privateKey 私钥字符串
40 * @return
41 */
42 public static PrivateKey getPrivateKey(String privateKey) throws Exception {
43 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
44 byte[] decodedKey = Base64.decodeBase64(privateKey.getBytes());
45 PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(decodedKey);
46 return keyFactory.generatePrivate(keySpec);
47 }
48
49 /**
50 * 获取公钥
51 *
52 * @param publicKey 公钥字符串
53 * @return
54 */
55 public static PublicKey getPublicKey(String publicKey) throws Exception {
56 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
57 byte[] decodedKey = Base64.decodeBase64(publicKey.getBytes());
58 X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(decodedKey);
59 return keyFactory.generatePublic(keySpec);
60 }
61
62 /**
63 * RSA加密
64 *
65 * @param data 待加密数据
66 * @param publicKey 公钥
67 * @return
68 */
69 public static String encrypt(String data, PublicKey publicKey) throws Exception {
70 Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
71 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
72 int inputLen = data.getBytes().length;
73 ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
74 int offset = 0;
75 byte[] cache;
76 int i = 0;
77 // 对数据分段加密
78 while (inputLen - offset > 0) {
79 if (inputLen - offset > MAX_ENCRYPT_BLOCK) {
80 cache = cipher.doFinal(data.getBytes(), offset, MAX_ENCRYPT_BLOCK);
81 } else {
82 cache = cipher.doFinal(data.getBytes(), offset, inputLen - offset);
83 }
84 out.write(cache, 0, cache.length);
85 i++;
86 offset = i * MAX_ENCRYPT_BLOCK;
87 }
88 byte[] encryptedData = out.toByteArray();
89 out.close();
90 // 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
91 // 加密后的字符串
92 return new String(Base64.encodeBase64String(encryptedData));
93 }
94
95 /**
96 * RSA解密
97 *
98 * @param data 待解密数据
99 * @param privateKey 私钥
100 * @return
101 */
102 public static String decrypt(String data, PrivateKey privateKey) throws Exception {
103 Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
104 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
105 byte[] dataBytes = Base64.decodeBase64(data);
106 int inputLen = dataBytes.length;
107 ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
108 int offset = 0;
109 byte[] cache;
110 int i = 0;
111 // 对数据分段解密
112 while (inputLen - offset > 0) {
113 if (inputLen - offset > MAX_DECRYPT_BLOCK) {
114 cache = cipher.doFinal(dataBytes, offset, MAX_DECRYPT_BLOCK);
115 } else {
116 cache = cipher.doFinal(dataBytes, offset, inputLen - offset);
117 }
118 out.write(cache, 0, cache.length);
119 i++;
120 offset = i * MAX_DECRYPT_BLOCK;
121 }
122 byte[] decryptedData = out.toByteArray();
123 out.close();
124 // 解密后的内容
125 return new String(decryptedData, "UTF-8");
126 }
127
128 /**
129 * 签名
130 *
131 * @param data 待签名数据
132 * @param privateKey 私钥
133 * @return 签名
134 */
135 public static String sign(String data, PrivateKey privateKey) throws Exception {
136 byte[] keyBytes = privateKey.getEncoded();
137 PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
138 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
139 PrivateKey key = keyFactory.generatePrivate(keySpec);
140 Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
141 signature.initSign(key);
142 signature.update(data.getBytes());
143 return new String(Base64.encodeBase64(signature.sign()));
144 }
145
146 /**
147 * 验签
148 *
149 * @param srcData 原始字符串
150 * @param publicKey 公钥
151 * @param sign 签名
152 * @return 是否验签通过
153 */
154 public static boolean verify(String srcData, PublicKey publicKey, String sign) throws Exception {
155 byte[] keyBytes = publicKey.getEncoded();
156 X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
157 KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
158 PublicKey key = keyFactory.generatePublic(keySpec);
159 Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
160 signature.initVerify(key);
161 signature.update(srcData.getBytes());
162 return signature.verify(Base64.decodeBase64(sign.getBytes()));
163 }
164
165 public static void main(String[] args) {
166 try {
167 // 生成密钥对
168 KeyPair keyPair = getKeyPair();
169 String privateKey = new String(Base64.encodeBase64(keyPair.getPrivate().getEncoded()));
170 String publicKey = new String(Base64.encodeBase64(keyPair.getPublic().getEncoded()));
171 System.out.println("私钥:" + privateKey);
172 System.out.println("公钥:" + publicKey);
173 // RSA加密
174 String data = "hello 20191107";
175 String encryptData = encrypt(data, getPublicKey(publicKey));
176 System.out.println("加密后内容:" + encryptData);
177 // RSA解密
178 String decryptData = decrypt(encryptData, getPrivateKey(privateKey));
179 System.out.println("解密后内容:" + decryptData);
180
181 // RSA签名
182 String sign = sign(data, getPrivateKey(privateKey));
183 // RSA验签
184 boolean result = verify(data, getPublicKey(publicKey), sign);
185 System.out.print("验签结果:" + result);
186 } catch (Exception e) {
187 e.printStackTrace();
188 System.out.print("加解密异常");
189 }
190 }
191 }
运行结果：
PS:RSA加密对明文的长度有所限制，规定需加密的明文最大长度=密钥长度-11（单位是字节，即byte），所以在加密和解密的过程中需要分块进行。而密钥默认是1024位，即1024位/8位-11=128-11=117字节。所以默认加密前的明文最大长度117字节，解密密文最大长度为128字。那么为啥两者相差11字节呢？是因为RSA加密使用到了填充模式（padding），即内容不足117字节时会自动填满，用到填充模式自然会占用一定的字节，而且这部分字节也是参与加密的。
密钥长度的设置就是上面例子的第32行。可自行调整，当然非对称加密随着密钥变长，安全性上升的同时性能也会有所下降。
其中commons-codec这个jar包不在标准库中，需要从下面的网址下载jar包，放到下面目录下，并加入到Build Path下（即在jar包上右键“Build Path”）。
http://commons.apache.org/proper/commons-codec/download_codec.cgi
浙公网安备 33010602011771号