java加密算法入门-非对称加密详解

Posted 2020-09-23

1、简单介绍

这几天一直在看非对称的加密，相比之前的两篇内容，这次看了两倍多的时间还云里雾里的，所以这篇文章相对之前的两篇，概念性的东西多了些，另外是代码的每一步我都做了介绍，方便自己以后翻阅，也方便大家理解。最后就是关于代码的demo，DH算法、RSA算法本文中只有最基础的用法，实际在工作中可能会涉及到密钥的转换X509EncodedKeySpec和PKCS8EncodedKeySpec，相关的demo名分别叫DH2Test，RSA2Test，已经上传GIT。如果对您有帮助，请给我个star。本文为学习总结笔记，如有错误还请指正，如有误导概不负责哈W(￣_￣)W

1.1 什么是非对称加密算法？

所谓非对称加密算法，即加密和解密使用两个不同的密钥。非对称主要是相对于对称加密算法而言的，对称加密算法有加解密使用同一个秘钥，非对称算法则有一个公钥和一个私钥，公钥与私钥是一对的，这两个共同组成一个解钥，才能实现解密。

Ps：RSA是可以双向加密的：私钥加密，公钥解密；公钥加密，私钥解密。

1.2 主要算法

DH 秘钥交换算法,算是非对称加密算法的起源

RSA 基于因子分解，既能用于数字加密也能用于数字签名

ELGamal 基于离散对数加密

1.3 非对称加密算法的特点

算法强度复杂、安全性依赖于算法与密钥.但是由于算法复杂,使得非对称算法加解密速度没有对称算法加解密的速度快.

对称密钥体制中只有一种密钥,并且是非公开的,如果要解密就得让对方知道密钥.所以保证其安全性就是保证密钥的安全.

非对称密钥体制有两种密钥,其中一个是公开的,这样就可以不需要像对称密码那样向对方传输密钥了.因此安全性就大了很多.

算法复杂度:对称密钥<非对称密钥

加解密速度:对称密钥>非对称密钥

安全性:对称密钥<非对称密钥

1.4 使用到的类和相关参数

KeyPairGenerator：密钥对生成器
KeyPair：密钥对
PublixKey：公钥
PrivateKey ：私钥
KeyFactory：作用是生成密钥（包括公钥和私钥）

generatePublic()方法用来生成公钥
generatePrivate()方法用来生成私钥

X509EncodedKeySpec：继承EncodedKeySpec类 ，以编码格式来表示公钥
PKCS8EncodedKeySpec：继承EncodedKeySpec类，以编码格式来表示私钥
DHPublicKey：是PublicKey的某种具体的形式
DHParameterSpec：随从着DH算法来使用的参数的集合
KeyAgreement：该类提供密钥一致性（或者密钥交换）协议的功能
SecretKey：构建的本地秘钥
Cipher：提供加解密的功能

2、DH算法

Diffie-Hellman算法(D-H算法)，密钥一致协议。是由公开密钥密码体制的奠基人Diffie和Hellman所提出的一种思想。简单的说就是允许两名用户在公开媒体上交换信息以生成"一致"的、可以共享的密钥。换句话说，就是由甲方产出一对密钥（公钥、私钥），乙方依照甲方公钥产生乙方密钥对（公钥、私钥）。以此为基线，作为数据传输保密基础，同时双方使用同一种对称加密算法构建本地密钥（SecretKey）对数据加密。这样，在互通了本地密钥（SecretKey）算法后，甲乙双方公开自己的公钥，使用对方的公钥和刚才产生的私钥加密数据，同时可以使用对方的公钥和自己的私钥对数据解密。不单单是甲乙双方两方，可以扩展为多方共享数据通讯，这样就完成了网络交互数据的安全通讯！该算法源于中国的同余定理——中国馀数定理。

 

DH算法的默认密钥长度是1024,密钥长度必须是64的倍数,在512到1024位之间。
DH是一种基于密钥一致协议的加密算法。

密钥一致协议就是允许两名用户在公开媒体上交换信息以生成"一致"的、可以共享的密钥。

由甲方产出一对密钥(公钥、私钥),乙方依照甲方公钥产生乙方密钥对(公钥、私钥),以此为基线作为数据传输保密基础.同时双方使用同一种对称加密算法构建本地密钥(SecretKey)对数据加密。在互通了本地密钥算法后,甲乙双方公开自己的公钥,使用对方的公钥和刚才产生的私钥加密数据,同时可以使用对方的公钥和自己的私钥对数据解密。

2.1 算法流程

 

1.甲方构建密钥对，将公钥公布给乙方，将私钥保留；双方约定数据加密算法；乙方通过甲方公钥构建密钥对，将公钥公布给甲方，将私钥保留。 
2.甲方使用私钥、乙方公钥、约定数据加密算法构建本地密钥，然后通过本地密钥加密数据，发送给乙方加密后的数据；乙方使用私钥、甲方公钥、约定数据加密算法构建本地密钥，然后通过本地密钥对数据解密。 
3.乙方使用私钥、甲方公钥、约定数据加密算法构建本地密钥，然后通过本地密钥加密数据，发送给甲方加密后的数据；甲方使用私钥、乙方公钥、约定数据加密算法构建本地密钥，然后通过本地密钥对数据解密。

2.2 具体实现

使用KeyPairGenerator的getInstance()静态方法创建实例,参数是算法名称.指定密钥对生成器生成指定算法的密钥对。

KeyPairGenerator senderKeyPairGenerator =KeyPairGenerator.getInstance("DH");

使用KeyPairGenerator的initialize()方法初始化密钥的长度.

senderKeyPairGenerator.initialize(512);

使用KeyPairGenerator的generateKeyPair()方法创建KeyPair实例.一个KeyPair实例表示一对密钥,即一个密钥对.包括公钥与私钥.

KeyPair senderKeyPair = senderKeyPairGenerator.generateKeyPair();

KeyPair的getPublic()方法返回PublicKey类型(公钥)，getPrivate()方法返回PrivateKey类型(私钥)。
DHPublicKey接口、DHPrivateKey接口分别继承PublicKey接口与PrivateKey接口.

公钥是要发送给接收方的，此处同一类内省略该操作

PublicKey senderPublicKey = senderKeyPair.getPublic();//发送方公钥

使用DHPublicKey的getParams()方法返回DHParameterSpec实例.
DHParameterSpec:此类指定随同DH算法使用的参数集合,用于通过一方的公钥生成另一方的密钥对.

DHParameterSpec dhParameterSpec = ((DHPublicKey) senderPublicKey).getParams();//用发送方的公钥产生算法参数

使用KeyPairGenerator的initialize()初始化方法时,参数还可以是DHParameterSpec的实例.用于通过一方公钥生成密钥对.

KeyPairGenerator receiverKeyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
receiverKeyPairGenerator.initialize(dhParameterSpec);//初始化接收方的KeyPairGenerator
KeyPair receiverKeyPair = receiverKeyPairGenerator.generateKeyPair();//生成接收方的密钥对

本地密钥构建：KeyAgreement
KeyAgreement类用于生成本地密钥(提供密钥协定或密钥交换协议的功能).使用其getInstance()静态方法创建实例,参数是算法名,指定生成的本地密钥符合某种特定算法.

KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance("DH");

KeyAgreement类的init()方法用于给定密钥初始化此密钥协定.doPhase()方法用于用给定密钥执行此密钥协定的下一个阶段.两个方法的参数都是Key类型,即使用公钥、私钥来初始化密钥协定.

keyAgreement.init(receiverKeyPair.getPrivate());//接收方的私钥
keyAgreement.doPhase(senderKeyPair.getPublic(), true);//发送方的公钥

KeyAgreement类的generateSecret()方法创建本地密钥,参数是对称加密算法名称.返回SecretKey类型.

SecretKey receiverDesKey = keyAgreement.generateSecret("DES");

加密解密，同java加密算法入门（二）-对称加密详解 不在详细讲了

Cipher cipher=Cipher.getInstance("DES"):
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, senderDesKey);
byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());

 2.3 实现代码

package Asymmetric.encryption;

import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyAgreement;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.interfaces.DHPublicKey;
import javax.crypto.spec.DHParameterSpec;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PublicKey;
import java.util.Objects;

/**
 * {@link http://www.cnblogs.com/allanzhang/}
 * @author 小卖铺的老爷爷
 * DH 相当于外面的一层封装。进行密钥交换用的。并不是一种明确的加解密算法
 */
public class DHTest {
    public static final String src = "laoyeye dh";

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

    public static void jdkDH() throws Exception {
        //发送方初始化自己的密钥对，并且把公钥发送给接收方
        KeyPairGenerator senderKeyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
        senderKeyPairGenerator.initialize(512);
        KeyPair senderKeyPair = senderKeyPairGenerator.generateKeyPair();
        PublicKey senderPublicKey = senderKeyPair.getPublic();//公钥是要发送给接收方的，此处同一类内省略该操作

        //接收方用发送方的公钥初始化自己的密钥对
        DHParameterSpec dhParameterSpec = ((DHPublicKey) senderPublicKey).getParams();//用发送方的公钥产生算法参数
        KeyPairGenerator receiverKeyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
        receiverKeyPairGenerator.initialize(dhParameterSpec);//初始化接收方的KeyPairGenerator
        KeyPair receiverKeyPair = receiverKeyPairGenerator.generateKeyPair();//生产接收方的密钥对

        //DES密钥构建
        KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance("DH");
        //接收方根据自己的私钥和发送方的公钥创建DES密钥
        keyAgreement.init(receiverKeyPair.getPrivate());//接收方的私钥
        keyAgreement.doPhase(senderKeyPair.getPublic(), true);//发送方的公钥
        SecretKey receiverDesKey = keyAgreement.generateSecret("DES");

        //发送方根据自己的私钥和接收方的公钥创建DES密钥
        keyAgreement.init(senderKeyPair.getPrivate());
        keyAgreement.doPhase(receiverKeyPair.getPublic(), true);
        SecretKey senderDesKey = keyAgreement.generateSecret("DES");

        //判断两方得到的DES密钥是不是相等的
        if (Objects.equals(senderDesKey, receiverDesKey)) {
            System.out.println("双方密钥相同");
        }

        //加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, senderDesKey);
        byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
        System.out.println("JDK DH ENCRYPT:" + Hex.encodeHexString(result));

        //解密
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, receiverDesKey);
        result = cipher.doFinal(result);
        System.out.println("JDK DH DECRYPT:" + new String(result));

    }

}

View Code

 3、RSA算法

这种算法1978年就出现了，它是第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法。它易于理解和操作，也很流行。算法的名字以发明者的名字命名：Ron Rivest, AdiShamir 和Leonard Adleman。 
这种加密算法的特点主要是密钥的变化，java加密算法入门（二）-对称加密详解 一文中我们看到DES只有一个密钥。相当于只有一把钥匙，如果这把钥匙丢了，数据也就不安全了。RSA同时有两把钥匙，公钥与私钥。同时支持数字签名。数字签名的意义在于，对传输过来的数据进行校验。确保数据在传输工程中不被修改。

RSA算法的JDK实现默认密钥长度是1024，BC则是2048,密钥长度必须是64的倍数,在512到65536位之间。
RSA目前还没有被破解,是使用最多的非对称加密算法.
有些算法只规定了公钥加密、私钥解密，RSA算法则支持公钥加密、私钥解密.私钥加密、公钥解密。

3.1 算法流程

1.甲方构建密钥对儿，将公钥公布给乙方，将私钥保留。
2.甲方使用私钥加密数据，然后用私钥对加密后的数据签名，发送给乙方签名以及加密后的数据；乙方使用公钥、签名来验证待解密数据是否有效，如果有效使用公钥对数据解密。
3.乙方使用公钥加密数据，向甲方发送经过加密后的数据；甲方获得加密数据，通过私钥解密。
Ps:关于数字签名会在后续的章节中介绍。可以看看这个帖子了解下http://justjavac.iteye.com/blog/1144151

一般公司这样做的。
甲乙公司各有自己的一套公钥私钥。
甲用乙公布的公钥加密，信息传递到乙，乙用自己的私钥解密。 --- 这一套是乙方的公私钥。
乙用甲公布的公钥加密，信息传递到甲，甲用自己的私钥解密。 --- 这一套是甲方的公私钥。
注：公钥长度远远小于私钥，公钥长度比较短，便于公钥保存。

3.2 代码实现

package Asymmetric.encryption;

import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
import javax.crypto.Cipher;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
/**
 * {@link http://www.cnblogs.com/allanzhang/}
 * @author 小卖铺的老爷爷
 *
 */
public class RSATest {
    public static final String src = "laoyeye rsa";
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        jdkRSA();
    }
    public static void jdkRSA() throws Exception {
        //初始化密钥
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        keyPairGenerator.initialize(512);//512~65532
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        //私钥加密，公钥解密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keyPair.getPrivate());
        byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
        System.out.println("**私钥加密，公钥解密**");
        System.out.println("加密：" + Hex.encodeHexString(result));
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keyPair.getPublic());
        result = cipher.doFinal(result);
        System.out.println("解密：" + new String(result));
    }
}

4、ElGamal算法

ElGamal算法，是一种较为常见的加密算法，它是基于1985年提出的公钥密码体制和椭圆曲线加密体系。既能用于数据加密也能用于数字签名，其安全性依赖于计算有限域上离散对数这一难题。在加密过程中，生成的密文长度是明文的两倍，且每次加密后都会在密文中生成一个随机数K，在密码中主要应用离散对数问题的几个性质：求解离散对数（可能）是困难的，而其逆运算指数运算可以应用平方-乘的方法有效地计算。也就是说，在适当的群G中，指数函数是单向函数。

特点：
1、在JDK里并没有提供对ElGamal算法的实现.而是通过BouncyCastle实现.
2、只提供公钥加密,私钥解密，不提供私钥加密，公钥解密
3、ElGamal算法支持数据加密与数字签名.
4、密钥长度:160~16384(8的倍数),默认的密钥长度为1024.

4.1 算法流程

1.乙方构建密钥对儿，将公钥公布给甲方，将私钥保留。
2.甲方使用公钥加密数据，然后用公钥对加密后的数据签名，发送给乙方签名以及加密后的数据；乙方使用私钥、签名来验证待解密数据是否有效，如果有效使用私钥对数据解密。

4.2 具体步骤

在使用之前需要为JDK添加新的Provider.

Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());

RSA初始化密钥对是通过KeyPairGenerator实现的.而ElGamal初始化密钥对则是通过AlgorithmParameterGenerator实现的.
使用AlgorithmParameterGenerator的getInstance()静态方法获取AlgorithmParameterGenerator实例,参数是算法名.

AlgorithmParameterGenerator algorithmParameterGenerator = AlgorithmParameterGenerator.getInstance("Elgamal");

使用AlgorithmParameterGenerator的init()方法进行初始化密钥长度.

algorithmParameterGenerator.init(256);

JDK没有提供对ElGamal的支持，但是jce提供了构建秘钥对的方式DHParameterSpec，具体方式见代码

// 生成算法参数
AlgorithmParameters algorithmParameters = algorithmParameterGenerator.generateParameters();
// 构建参数材料
//JDK没有提供对ei的支持，但是jce框架提供了构建秘钥对的方式DHParameterSpec
DHParameterSpec dhParameterSpec = (DHParameterSpec)algorithmParameters.getParameterSpec(DHParameterSpec.class);
// 实例化密钥对生成器
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("Elgamal");  
// 初始化密钥对生成器  
keyPairGenerator.initialize(dhParameterSpec, new SecureRandom());
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();

到这一步后就和RSA的步骤类似了，可参考上文或者查看实现代码。

4.3 实现代码

package Asymmetric.encryption;

import java.security.AlgorithmParameterGenerator;
import java.security.AlgorithmParameters;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.Security;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.DHParameterSpec;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
/**
 * {@link http://www.cnblogs.com/allanzhang/}
 * @author 小卖铺的老爷爷
 *
 */
public class ElGamalTest {

    public static final String src = "laoyeye Elgamal test";
    public static void main(String[] args) 
    {
        jdkElgamal();

    }
    // jdk实现：“公钥加密，私钥解密” ， 因为Elgamal不支持“私钥加密、公钥解密”。
    public static void jdkElgamal()
    {        
        try 
        {
            // 加入对BouncyCastle支持  
            Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
            
            // 初始化密钥
            AlgorithmParameterGenerator algorithmParameterGenerator = AlgorithmParameterGenerator.getInstance("Elgamal");
            // 初始化参数生成器
            algorithmParameterGenerator.init(256);
            // 生成算法参数
            AlgorithmParameters algorithmParameters = algorithmParameterGenerator.generateParameters();
            // 构建参数材料
            //JDK没有提供对ei的支持，但是jce框架提供了构建秘钥对的方式DHParameterSpec
            DHParameterSpec dhParameterSpec = (DHParameterSpec)algorithmParameters.getParameterSpec(DHParameterSpec.class);
            // 实例化密钥对生成器
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("Elgamal");    
            // 初始化密钥对生成器  
            keyPairGenerator.initialize(dhParameterSpec, new SecureRandom());
            KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
            // 公钥
            PublicKey elGamalPublicKey = keyPair.getPublic();
            // 私钥 
            PrivateKey elGamalPrivateKey = keyPair.getPrivate();
            System.out.println("Public Key:" + Base64.encodeBase64String(elGamalPublicKey.getEncoded()));
            System.out.println("Private Key:" + Base64.encodeBase64String(elGamalPrivateKey.getEncoded()));
            // 初始化公钥  
            // 密钥材料转换
            X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec2 = new X509EncodedKeySpec(elGamalPublicKey.getEncoded());
            // 实例化密钥工厂
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("Elgamal");
            // 产生公钥
            PublicKey publicKey2 = keyFactory.generatePublic(x509EncodedKeySpec2);
            // 数据加密 
            // Cipher cipher = Cipher.getInstance("Elgamal");
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm()); 
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey2);
            byte[] result2 = cipher.doFinal(src.getBytes());
            System.out.println("Elgamal ---- 加密:" + Base64.encodeBase64String(result2));
            // 数据解密
            PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec5 = new PKCS8EncodedKeySpec(elGamalPrivateKey.getEncoded());
            keyFactory = KeyFactory.getInstance("Elgamal");
            PrivateKey privateKey5 = keyFactory.generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec5);
//            Cipher cipher5 = Cipher.getInstance("Elgamal");
            Cipher cipher5 = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm()); 
            cipher5.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey5);
            byte[] result5 = cipher5.doFinal(result2);
            System.out.println("Elgamal ---- 解密:" + new String(result5));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
    }
        
}

View Code

4.4 遇到的问题

代码报错：“Illegal key size or default parameters”异常，是因为美国的出口限制，Sun通过权限文件（local_policy.jar、US_export_policy.jar）做了相应限制。因此存在一些问题。

Java 6 无政策限制文件：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/jce-6-download-429243.html
Java 7 无政策限制文件：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/jce-7-download-432124.html
找到对应jdk的安装目录。D:\\JDK1.6\\jdk1.7.0_45\\jre\\lib\\security目录下，对应覆盖local_policy.jar和US_export_policy.jar两个jar包就可以了。 

补充：
关于源码中PKCS8EncodedKeySpec，X509EncodedKeySpec密钥的转换，实际上并不需要转换，也不需要重新生成keyfactory。因为具体我也没应用过，可能是实际项目中一般会这样，因为实际接受方和发送方并不知道对方的密钥的encoded format（编码格式），所以需要转换成自己使用encoded format。而KeyFactory就是转换格式后重新生成私钥，公钥。

总结：
1、对称加密算法中使用的是密钥(SecretKey)，非对称加密算法中使用的是密钥对(公钥、私钥)。
2、DH算法比较复杂，需要根据公钥生成自己的秘钥对，然后使用公钥和自己的私钥生成自己的本地秘钥在进行加密
3、RSA相对来讲简单的多，支持公钥加密、私钥解密，私钥加密、公钥解密。
4、ElGamal算法和RSA类似，但是只支持公钥加密,私钥解密，不支持私钥加密，公钥解密。

源码地址：https://github.com/allanzhuo/study