加密与安全_使用Java代码操作RSA算法生成的密钥对

小小工匠2024-03-06 12:46

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加密与安全_探索非对称加密算法_RSA算法

概述

在数字化时代，网络通信的安全性是必须关注的重要问题之一。非对称加密算法作为现代密码学的重要组成部分，为保护通信的隐私提供了一种可靠的解决方案。

什么是非对称加密算法？

非对称加密算法，又称为公钥加密算法，是一种密码学中的重要概念。它与传统的对称加密算法不同，需要一对密钥：公钥和私钥。这对密钥之间存在着特殊的数学关系，但无法通过公钥推导出私钥，从而保证了通信的安全性。

如何工作？

当发送方A希望将数据发送给接收方B时，A可以使用B的公钥对数据进行加密，得到密文。只有拥有对应私钥的B才能解密这个密文。同样地，B也可以使用A的公钥加密数据，只有A持有私钥才能解密。这种加密和解密使用不同的密钥的特点，使得非对称加密算法成为了保护通信隐私的重要工具。

示例：RSA算法

RSA算法是非对称加密算法中最常见的一种，它利用了大数分解的数学难题，保证了通信的安全性。在RSA算法中，公钥是公开的，私钥是保密的。发送方使用接收方的公钥对数据进行加密，而接收方使用自己的私钥进行解密，从而实现了安全的通信。

特点和优势

  • 加密和解密使用不同的密钥，提高了通信的安全性。
  • 如果使用私钥加密，只能使用公钥解密；反之亦然。
  • 非对称加密算法安全性高，但处理数据速度较慢。

ECC：另一种非对称加密算法

除了RSA算法，还有一种备受关注的非对称加密算法，即椭圆曲线密码学（ECC）。ECC利用了椭圆曲线上的数学难题，相比RSA算法，它能够以更短的密钥长度实现相当于甚至更高的安全级别，同时在资源受限的环境下拥有更好的性能表现。

Code

生成公钥和私钥

java 复制代码 
package com.artisan;

import com.sun.org.apache.xml.internal.security.utils.Base64;

import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0 
 */
public class RsaKeyPair {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 指定加密算法为RSA
        String algorithm = "RSA";
        // 创建密钥对生成器对象
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(algorithm);
        // 生成RSA密钥对
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        // 获取生成的私钥
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
        // 获取生成的公钥
        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
        // 获取私钥的编码字节数组
        byte[] privateKeyEncoded = privateKey.getEncoded();
        // 获取公钥的编码字节数组
        byte[] publicKeyEncoded = publicKey.getEncoded();
        // 对公私钥的编码字节数组进行Base64编码
        String privateKeyString = Base64.encode(privateKeyEncoded);
        String publicKeyString = Base64.encode(publicKeyEncoded);

        // 打印私钥的Base64编码字符串
        System.out.println(privateKeyString);

        System.out.println("----------------------------------");

        // 打印公钥的Base64编码字符串
        System.out.println(publicKeyString);
    }
}

使用RSA算法生成一个密钥对，并将私钥和公钥进行Base64编码后打印出来了。

私钥加密

java 复制代码 
package com.artisan;

import com.sun.org.apache.xml.internal.security.utils.Base64;

import javax.crypto.Cipher;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: 显示代码，改变世界
 */
public class PrivateKeyEnc {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String input = "小工匠的IT生活";
        // 指定加密算法为RSA
        String algorithm = "RSA";
        // 创建密钥对生成器对象
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(algorithm);
        // 生成RSA密钥对
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        // 获取生成的私钥
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
        // 获取生成的公钥
        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
        // 获取私钥的编码字节数组
        byte[] privateKeyEncoded = privateKey.getEncoded();
        // 获取公钥的编码字节数组
        byte[] publicKeyEncoded = publicKey.getEncoded();
        // 对公私钥的编码字节数组进行Base64编码
        String privateKeyString = Base64.encode(privateKeyEncoded);
        String publicKeyString = Base64.encode(publicKeyEncoded);

        // 打印生成的密钥对
        System.out.println("私钥(Base64编码): " + privateKeyString);
        System.out.println("公钥(Base64编码): " + publicKeyString);

        // 创建加密对象，参数表示加密算法
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);
        // 初始化加密对象
        // 第一个参数：加密模式
        // 第二个参数：使用私钥进行加密
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
        // 使用私钥加密输入的字符串
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(input.getBytes());
        // 对加密后的字节数组进行Base64编码，并打印
        System.out.println("加密后的字符串(Base64编码): " + Base64.encode(encryptedBytes));
    }
}

私钥加密私钥解密 ( 行不通 )

在上面的代码上追加

java 复制代码 
// 私钥进行解密 (错误的演示)
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,privateKey);
 // 对密文进行解密，不需要使用base64，因为原文不会乱码
 byte[] bytes1 = cipher.doFinal(encryptedBytes);
 System.out.println(new String(bytes1));

私钥加密公钥解密

将上述代码的 私钥解密，换成使用公钥解密

java 复制代码 
// 公钥进行解密
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,publicKey);
// 对密文进行解密，不需要使用base64，因为原文不会乱码
byte[] bytes1 = cipher.doFinal(encryptedBytes);
System.out.println("解密后的字符串: " + new String(bytes1));

公钥加密和公钥解密 （行不通）

保存公钥和私钥

生成RSA非对称加密算法的密钥对，并将生成的公钥和私钥保存在本地文件中。

java 复制代码 
package com.artisan;

import com.sun.org.apache.xerces.internal.impl.dv.util.Base64;
import org.apache.commons.io.FileUtils;

import java.io.File;
import java.nio.charset.Charset;
import java.security.*;

public class KeyPairOperate {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 加密算法
        String algorithm = "RSA";

        // 生成密钥对并保存在本地文件中
        generateKeyToFile(algorithm, "a.pub", "a.pri");
    }

    /**
     * 生成密钥对并保存在本地文件中
     *
     * @param algorithm : 算法
     * @param pubPath   : 公钥保存路径
     * @param priPath   : 私钥保存路径
     * @throws Exception
     */
    private static void generateKeyToFile(String algorithm, String pubPath, String priPath) throws Exception {
        // 获取密钥对生成器
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(algorithm);
        // 获取密钥对
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        // 获取公钥
        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
        // 获取私钥
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
        // 获取byte数组
        byte[] publicKeyEncoded = publicKey.getEncoded();
        byte[] privateKeyEncoded = privateKey.getEncoded();
        // 进行Base64编码
        String publicKeyString = Base64.encode(publicKeyEncoded);
        String privateKeyString = Base64.encode(privateKeyEncoded);
        // 保存文件
        FileUtils.writeStringToFile(new File(pubPath), publicKeyString, Charset.forName("UTF-8"));
        FileUtils.writeStringToFile(new File(priPath), privateKeyString, Charset.forName("UTF-8"));

    }
}

读取私钥

java 复制代码 
// 读取私钥
PrivateKey privateKey = readPrivateKeyFromFile(algorithm, "a.pri");

 byte[] encoded = privateKey.getEncoded();
 String privateContent = Base64.encode(encoded);
 System.out.println("私钥内容:" + privateContent);
java 复制代码 
 /**
     * @param algorithm
     * @param filePath
     * @return
     * @throws Exception
     */
    private static PrivateKey readPrivateKeyFromFile(String algorithm, String filePath) throws Exception {
        // 从文件中读取私钥字符串
        String privateKeyString = FileUtils.readFileToString(new File(filePath), StandardCharsets.UTF_8);
        // 进行Base64解码
        byte[] privateKeyEncoded = Base64.decode(privateKeyString);
        // 获取密钥工厂
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(algorithm);
        // 构建密钥规范 进行Base64解码
        PKCS8EncodedKeySpec spec = new PKCS8EncodedKeySpec(Base64.decode(privateKeyString));
        return keyFactory.generatePrivate(spec);
    }

看下生成的文件中的内容：

读取公钥

java 复制代码 
// 读取公钥
PublicKey publicKey = readPublicKeyFromFile(algorithm, "a.pub");

byte[] publicKeyEncoded = publicKey.getEncoded();
String publicContent = Base64.encode(publicKeyEncoded);
System.out.println("公钥内容:" + publicContent);
java 复制代码 
 /**
     * @param algorithm
     * @param filePath
     * @return
     * @throws Exception
     */
    private static PublicKey readPublicKeyFromFile(String algorithm, String filePath) throws Exception {
        // 将文件内容转为字符串
        String publicKeyString = FileUtils.readFileToString(new File(filePath), StandardCharsets.UTF_8);
        // 获取密钥工厂
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(algorithm);
        // 构建密钥规范 进行Base64解码
        X509EncodedKeySpec spec = new X509EncodedKeySpec(Base64.decode(publicKeyString));
        // 生成公钥
        return keyFactory.generatePublic(spec);
    }

使用读取的公钥加密，私钥解密

java 复制代码 
// 使用公钥私钥实现加解密
String text = "小工匠的IT生活";
System.out.println("原文:" + text);


String enc = encryptRSA(algorithm, publicKey, text);
System.out.println("公钥加密后的数据:" + enc);

String plainText = decryptRSA(algorithm, privateKey, enc);
System.out.println("私钥解密后的数据:" + plainText);
java 复制代码 
 /**
     * 解密数据
     *
     * @param algorithm : 算法
     * @param encrypted : 密文
     * @param key       : 密钥
     * @return : 原文
     * @throws Exception
     */
    public static String decryptRSA(String algorithm, Key key, String encrypted) throws Exception {
        // 创建加密对象
        // 参数表示加密算法
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);
        // 私钥进行解密
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        // 由于密文进行了Base64编码, 在这里需要进行解码
        byte[] decode = Base64.decode(encrypted);
        // 对密文进行解密，不需要使用base64，因为原文不会乱码
        byte[] bytes1 = cipher.doFinal(decode);
        return new String(bytes1);

    }

    /**
     * 使用密钥加密数据
     *
     * @param algorithm : 算法
     * @param input     : 原文
     * @param key       : 密钥
     * @return : 密文
     * @throws Exception
     */
    public static String encryptRSA(String algorithm, Key key, String input) throws Exception {
        // 创建加密对象
        // 参数表示加密算法
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);
        // 初始化加密
        // 第一个参数:加密的模式
        // 第二个参数：使用私钥进行加密
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
        // 私钥加密
        byte[] bytes = cipher.doFinal(input.getBytes());
        // 对密文进行Base64编码
        return Base64.encode(bytes);
    }

Source

java 复制代码 
package com.artisan;

import com.sun.org.apache.xml.internal.security.utils.Base64;
import org.apache.commons.io.FileUtils;

import javax.crypto.Cipher;
import java.io.File;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.*;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public class KeyPairOperate {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 加密算法
        String algorithm = "RSA";

        // 生成密钥对并保存在本地文件中
        generateKeyToFile(algorithm, "a.pub", "a.pri");

        // 读取私钥
        PrivateKey privateKey = readPrivateKeyFromFile(algorithm, "a.pri");

        byte[] encoded = privateKey.getEncoded();
        String privateContent = Base64.encode(encoded);
        System.out.println("私钥内容:" + privateContent);


        // 读取公钥
        PublicKey publicKey = readPublicKeyFromFile(algorithm, "a.pub");

        byte[] publicKeyEncoded = publicKey.getEncoded();
        String publicContent = Base64.encode(publicKeyEncoded);
        System.out.println("公钥内容:" + publicContent);


        // 使用公钥私钥实现加解密
        String text = "小工匠的IT生活";
        System.out.println("原文:" + text);


        String enc = encryptRSA(algorithm, publicKey, text);
        System.out.println("公钥加密后的数据:" + enc);

        String plainText = decryptRSA(algorithm, privateKey, enc);
        System.out.println("私钥解密后的数据:" + plainText);

    }


    /**
     * 解密数据
     *
     * @param algorithm : 算法
     * @param encrypted : 密文
     * @param key       : 密钥
     * @return : 原文
     * @throws Exception
     */
    public static String decryptRSA(String algorithm, Key key, String encrypted) throws Exception {
        // 创建加密对象
        // 参数表示加密算法
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);
        // 私钥进行解密
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        // 由于密文进行了Base64编码, 在这里需要进行解码
        byte[] decode = Base64.decode(encrypted);
        // 对密文进行解密，不需要使用base64，因为原文不会乱码
        byte[] bytes1 = cipher.doFinal(decode);
        return new String(bytes1);

    }

    /**
     * 使用密钥加密数据
     *
     * @param algorithm : 算法
     * @param input     : 原文
     * @param key       : 密钥
     * @return : 密文
     * @throws Exception
     */
    public static String encryptRSA(String algorithm, Key key, String input) throws Exception {
        // 创建加密对象
        // 参数表示加密算法
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);
        // 初始化加密
        // 第一个参数:加密的模式
        // 第二个参数：使用私钥进行加密
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
        // 私钥加密
        byte[] bytes = cipher.doFinal(input.getBytes());
        // 对密文进行Base64编码
        return Base64.encode(bytes);
    }


    /**
     * @param algorithm
     * @param filePath
     * @return
     * @throws Exception
     */
    private static PublicKey readPublicKeyFromFile(String algorithm, String filePath) throws Exception {
        // 将文件内容转为字符串
        String publicKeyString = FileUtils.readFileToString(new File(filePath), StandardCharsets.UTF_8);
        // 获取密钥工厂
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(algorithm);
        // 构建密钥规范 进行Base64解码
        X509EncodedKeySpec spec = new X509EncodedKeySpec(Base64.decode(publicKeyString));
        // 生成公钥
        return keyFactory.generatePublic(spec);
    }


    /**
     * @param algorithm
     * @param filePath
     * @return
     * @throws Exception
     */
    private static PrivateKey readPrivateKeyFromFile(String algorithm, String filePath) throws Exception {
        // 从文件中读取私钥字符串
        String privateKeyString = FileUtils.readFileToString(new File(filePath), StandardCharsets.UTF_8);
        // 进行Base64解码
        byte[] privateKeyEncoded = Base64.decode(privateKeyString);
        // 获取密钥工厂
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(algorithm);
        // 构建密钥规范 进行Base64解码
        PKCS8EncodedKeySpec spec = new PKCS8EncodedKeySpec(Base64.decode(privateKeyString));
        return keyFactory.generatePrivate(spec);
    }


    /**
     * 生成密钥对并保存在本地文件中
     *
     * @param algorithm : 算法
     * @param pubPath   : 公钥保存路径
     * @param priPath   : 私钥保存路径
     * @throws Exception
     */
    private static void generateKeyToFile(String algorithm, String pubPath, String priPath) throws Exception {
        // 获取密钥对生成器
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(algorithm);
        // 获取密钥对
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        // 获取公钥
        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
        // 获取私钥
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
        // 获取byte数组
        byte[] publicKeyEncoded = publicKey.getEncoded();
        byte[] privateKeyEncoded = privateKey.getEncoded();
        // 进行Base64编码
        String publicKeyString = Base64.encode(publicKeyEncoded);
        String privateKeyString = Base64.encode(privateKeyEncoded);
        // 保存文件
        FileUtils.writeStringToFile(new File(pubPath), publicKeyString, Charset.forName("UTF-8"));
        FileUtils.writeStringToFile(new File(priPath), privateKeyString, Charset.forName("UTF-8"));

    }
}
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