RSA加密解密，签名验签简述 + 完美工具类RSAUtils

你的名字 2022-12-31 12:29 596阅读 0赞

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# 系列文章目录 #

[RSA+AES数据传输的加密解密【篇】，项目实战（专题汇总）][RSA_AES]：

1.  [AES 加密解密简述 + 完美工具类 AESUtils][AES _ _ _ AESUtils]
2.  [RSA 加密解密，签名验签简述 + 完美工具类 RSAUtils][RSA _ _ _ RSAUtils]
3.  [RSA + AES 加密原理，一线大厂主流的加密手段][RSA _ AES]
4.  [RSA 与 AES 加密效率对比，用调研事实说明问题，用算法原理解决疑惑][RSA _ AES 1]
5.  [RSA + AES 混合加密策略，真实项目案例，一线大厂的主流HTTP加密交互方式][RSA_AES]（正在赶稿）

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# 一、RSA简介 #

RSA是1977年由[罗纳德·李维斯特][Link 1]（Ron Rivest）、[阿迪·萨莫尔][Link 2]（Adi Shamir）和[伦纳德·阿德曼][Link 3]（Leonard Adleman）一起提出的。当时他们三人都在[麻省理工学院][Link 4]工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。

![20201229193613333.jpg][]

RSA是被研究得最广泛的公钥算法，从提出到现在已近三十年，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们接受，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。该能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。

RSA算法属于非对称加密算法，非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥（publickey）和私有密钥（privatekey）。公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法叫作非对称加密算法。简单的说是“公钥加密，私钥解密；私钥加密，公钥解密”。

# 二、参数解释 #

下面几行是生成 RSA 秘钥对的标准核心代码，我们通过它分析下参数对结果的影响。

// keygen类
    KeyPairGenerator keygen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
    
    // 随机种子
    keygen.initialize(2048, new SecureRandom());
    
    // 生成一个密钥对，保存在keyPair中
    KeyPair keys = keygen.genKeyPair();
    PublicKey publicKey = keys.getPublic();
    PrivateKey privateKey = keys.getPrivate();

### 1. 秘钥长度 ###

RSA密钥是（公钥+模值）、（私钥+模值）分组分发的，单独给对方一个公钥或私钥是没有任何用处，所以我们说的“密钥”其实是它们两者中的其中一组。

而“密钥长度”一般只是指模值的位长度，目前主流可选值：1024、2048、3072、4096... 没有上限，多大都可以使用。但出于安全问题的考虑，低于1024bit的密钥不建议使用。

### 2. 秘钥种子 ###

初始化keygen时：

*  如果不指定seed（如上范例所示），而是直接 New 一个 SecureRandom 的随机对象，那生成的公私钥也是随机的；
 *  如果指定seed（如下引用所示），那么 secureRandom 结果是一样的，所以生成的公私钥也永远不会变。

String seed = "$%^*%^()(ED47d784sde78";
    SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
    secureRandom.setSeed(seed.getBytes());
    keygen.initialize(2048, secureRandom);

种子 seed 干嘛用？答：非常有用，而且生产中建议使用。

做测试每次都随机无所谓，但是在生产中很必要。

设想我们 new SecureRandom() 随机生成一对RSA秘钥，公钥都已经发给调用方了，结果我的私钥弄丢了，怎么办？只能再生成一对，然后逐一通知调用方进行更换，很尴尬吧。但是，如果我们使用种子seed生成，然后安全的保存了种子，以后就再不怕把公钥、私钥弄丢了。

# 二、RSAUtils #

工具类 RSAUtils，包含：

> 1.  生成 RSA 密钥对，包含随机、固定的方法;
> 2.  RSA 加密与解密，普通方法；
> 3.  RSA 加密与解密，限制明文大小的方法；
> 4.  SIGN 签名与验签的方法；

代码：RSAUtils.java

import java.nio.charset.StandardCharsets;
    import java.security.Key;
    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.Signature;
    import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
    import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
    import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
    import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
    import java.util.HashMap;
    import java.util.Map;
    import javax.crypto.Cipher;
    import com.alibaba.fastjson.JSON;
    import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
    import org.apache.commons.lang3.ArrayUtils;
    import org.slf4j.Logger;
    import org.slf4j.LoggerFactory;
    
    /**
     * 功能：SHA256withRSA 工具类
     * 说明：
     * @author Mr.tjm
     * @date 2020-5-20 11:25
     */
    @SuppressWarnings("all")
    public class RSAUtils {
        private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RSAUtils.class);
    
        // MAX_DECRYPT_BLOCK应等于密钥长度/8（1byte=8bit），所以当密钥位数为2048时，最大解密长度应为256.
        // 128 对应 1024，256对应2048
        private static final int KEYSIZE = 2048;
        // RSA最大加密明文大小
        private static final int MAX_ENCRYPT_BLOCK = 117;
        // RSA最大解密密文大小
        private static final int MAX_DECRYPT_BLOCK = 128;
    
        // 不仅可以使用DSA算法，同样也可以使用RSA算法做数字签名
        private static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";
        private static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "SHA256withRSA";
    
        // 默认种子
        public static final String DEFAULT_SEED = "$%^*%^()(ED47d784sde78";
        // 编码格式
        private static final String CODE_FORMATE_UTF8 = "UTF-8";
    
        // - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - RSA 生成秘钥对 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - //
        /**
         * 生成密钥对：Base64 转码的字符串
         * @param key
         * @return
         */
        public static Map<String, String> initKeyBase64Str() throws Exception {
            Map<String, String> map = new HashMap<>(2);
            Map<String, Key> keyMap = initKey();
            PublicKey publicKey = (PublicKey) keyMap.get("PublicKey");
            PrivateKey privateKey = (PrivateKey) keyMap.get("PrivateKey");
            map.put("PublicKey", new String(Base64.encodeBase64(publicKey.getEncoded())));
            map.put("PrivateKey", new String(Base64.encodeBase64(privateKey.getEncoded())));
            logger.info("生成密钥 = " + JSON.toJSONString(map));
            return map;
        }
    
        /**
         * 生成默认密钥
         *
         * @return 密钥对象
         */
        public static Map<String, Key> initKey() throws Exception {
            return initKey(DEFAULT_SEED);
        }
    
        /**
         * 生成密钥对：若seed为null，那么结果是随机的；若seed不为null且固定，那么结果也是固定的；
         *
         * @param seed  种子
         * @return      密钥对象
         */
        public static Map<String, Key> initKey(String seed) throws Exception {
            KeyPairGenerator keygen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    
            // 如果指定seed，那么secureRandom结果是一样的，所以生成的公私钥也永远不会变
            SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
            secureRandom.setSeed(seed.getBytes());
            // Modulus size must range from 512 to 1024 and be a multiple of 64
            keygen.initialize(KEYSIZE, secureRandom);
    
            // 生成一个密钥对，保存在keyPair中
            KeyPair keys = keygen.genKeyPair();
            PublicKey publicKey = keys.getPublic();
            PrivateKey privateKey = keys.getPrivate();
    
            // 将公钥和私钥保存到Map
            Map<String, Key> map = new HashMap<>(2);
            map.put("PublicKey", publicKey);
            map.put("PrivateKey", privateKey);
            logger.info("生成密钥 = " + JSON.toJSONString(map));
            return map;
        }
    
        // - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - RSA 加密、解密 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - //
        /**
         * 获取公钥 PublicKey 信息
         * @param  公钥
         * @return
         */
        public static PublicKey getPublicKey(String pubKeyStr) throws Exception{
            byte[] publicKeys = Base64.decodeBase64(pubKeyStr);
            X509EncodedKeySpec publicKeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKeys);
            KeyFactory mykeyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            PublicKey publicKey = mykeyFactory.generatePublic(publicKeySpec);
            logger.info("传入的公钥为：【" + pubKeyStr + "】，转义后的公钥为：【" + publicKey + "】");
            return publicKey;
        }
    
        /**
         * 公钥加密，指定 RSA 方式的 PublicKey 对象
         *
         * @param str 加密字符串
         * @param publicKey 公钥
         * @return
         */
        public static String encrypt(String str, String publicKey) throws Exception{
            // base64编码的公钥
            byte[] decoded = Base64.decodeBase64(publicKey);
            RSAPublicKey pubKey = (RSAPublicKey) KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM).generatePublic(new X509EncodedKeySpec(decoded));
            // RSA加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
            String outStr = Base64.encodeBase64String(cipher.doFinal(str.getBytes(CODE_FORMATE_UTF8)));
            return outStr;
        }
    
        /**
         * 公钥加密，任意 PublicKey 对象
         *
         * @param publicKey
         * @param encryptData
         * @param encode
         */
        public static String encrypt(PublicKey publicKey, String encryptData, String encode) throws Exception {
            if (publicKey == null) {
                throw new Exception("加密公钥为空，请设置。");
            }
            try {
                final Cipher cipher = Cipher.getInstance(KEY_ALGORITHM);
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
                byte[] output = cipher.doFinal(encryptData.getBytes(encode));
                return Base64.encodeBase64String(output);
            } catch (Exception e) {
                logger.info("加密异常:"+e.getMessage());
                return null;
            }
        }
    
        /**
         * 私钥解密，指定 RSA 方式的 PrivateKey 对象
         *
         * @param str 加密字符串
         * @param privateKey 私钥
         * @return
         */
        public static String decrypt(String str, String privateKey) throws Exception{
            // 64位解码加密后的字符串
            byte[] inputByte = Base64.decodeBase64(str.getBytes(CODE_FORMATE_UTF8));
            // base64编码的私钥
            byte[] decoded = Base64.decodeBase64(privateKey);
            RSAPrivateKey priKey = (RSAPrivateKey) KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM).generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(decoded));
            // RSA解密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey);
            String outStr = new String(cipher.doFinal(inputByte));
            return outStr;
        }
    
        /**
         * RSA 公钥加密，【限制长度】
         *
         * @param str       加密字符串
         * @param publicKey 公钥
         * @return 密文
         */
        public static String encryptByPublicKey(String str, String publicKey) throws Exception {
            // base64编码的公钥
            byte[] keyBytes = decryptBASE64(publicKey);
            RSAPublicKey pubKey = (RSAPublicKey) KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM).generatePublic(new X509EncodedKeySpec(keyBytes));
            // RSA加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
    
            byte[] data = str.getBytes("UTF-8");
            // 加密时超过117字节就报错。为此采用分段加密的办法来加密
            byte[] enBytes = null;
            for (int i = 0; i < data.length; i += MAX_ENCRYPT_BLOCK) {
                // 注意要使用2的倍数，否则会出现加密后的内容再解密时为乱码
                byte[] doFinal = cipher.doFinal(ArrayUtils.subarray(data, i, i + MAX_ENCRYPT_BLOCK));
                enBytes = ArrayUtils.addAll(enBytes, doFinal);
            }
            String outStr = encryptBASE64(enBytes);
            return outStr;
        }
    
        /**
         * RSA 私钥解密，【限制长度】
         *
         * @param encryStr   加密字符串
         * @param privateKey 私钥
         * @return 明文
         */
        public static String decryptByPrivateKey(String encryStr, String privateKey) throws Exception {
            // base64编码的私钥
            byte[] decoded = decryptBASE64(privateKey);
            RSAPrivateKey priKey = (RSAPrivateKey) KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM).generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(decoded));
            // RSA解密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey);
    
            // 64位解码加密后的字符串
            byte[] data = decryptBASE64(encryStr);
            // 解密时超过128字节报错。为此采用分段解密的办法来解密
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            for (int i = 0; i < data.length; i += MAX_DECRYPT_BLOCK) {
                byte[] doFinal = cipher.doFinal(ArrayUtils.subarray(data, i, i + MAX_DECRYPT_BLOCK));
                sb.append(new String(doFinal));
            }
            return sb.toString();
        }
    
        /**
         * BASE64Encoder 加密
         *
         * @param data 要加密的数据
         * @return 加密后的字符串
         */
        private static String encryptBASE64(byte[] data) {
            return new String(Base64.encodeBase64(data));
        }
    
        /**
         * BASE64Encoder 解密
         *
         * @param data 要解密的数据
         * @return 解密后的字节
         */
        private static byte[] decryptBASE64(String data) {
            return Base64.decodeBase64(data);
        }
    
        // - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - SIGN 签名，验签 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - //
        /**
         * 加签：生成报文签名
         *
         * @param content       报文内容
         * @param privateKey    私钥
         * @param encode        编码
         * @return
         */
        public static String doSign(String content, String privateKey, String encode) {
            try {
                String unsign = Base64.encodeBase64String(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                byte[] privateKeys = Base64.decodeBase64(privateKey.getBytes());
                PKCS8EncodedKeySpec privateKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKeys);
                KeyFactory mykeyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
                PrivateKey psbcPrivateKey = mykeyFactory.generatePrivate(privateKeySpec);
                Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
                signature.initSign(psbcPrivateKey);
                signature.update(unsign.getBytes(encode));
                byte[] signed = signature.sign();
                return Base64.encodeBase64String(signed);
            } catch (Exception e) {
                logger.error("生成报文签名出现异常");
            }
            return null;
        }
    
        /**
         * 验证：验证签名信息
         *
         * @param content   签名报文
         * @param signed    签名信息
         * @param publicKey 公钥
         * @param encode    编码格式
         * @return
         */
        public static boolean doCheck(String content, String signed, PublicKey publicKey, String encode) {
            try {
                // 解密之前先把content明文，进行base64转码
                String unsigned = Base64.encodeBase64String(content.getBytes(encode));
                Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
                signature.initVerify(publicKey);
                signature.update(unsigned.getBytes(encode));
                boolean bverify = signature.verify(Base64.decodeBase64(signed));
                return bverify;
            } catch (Exception e) {
                logger.error("报文验证签名出现异常");
            }
            return false;
        }
    }

# 三、秘钥生成网站 #

如果只是想随机生成一对秘钥用于测试，也可以使用现有网站，笔者推荐一个：[https://www.bejson.com/enc/rsa/][https_www.bejson.com_enc_rsa]

《[BEJSON —— RSA 公钥私钥，加密解密在线测试][https_www.bejson.com_enc_rsa]》：

![2020122920462180.png][]

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[RSA_AES]: https://jiming.blog.csdn.net/article/details/111193298
[AES _ _ _ AESUtils]: https://jiming.blog.csdn.net/article/details/111488947
[RSA _ _ _ RSAUtils]: https://jiming.blog.csdn.net/article/details/111935494
[RSA _ AES]: https://jiming.blog.csdn.net/article/details/110947742
[RSA _ AES 1]: https://jiming.blog.csdn.net/article/details/110952842
[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E7%BD%97%E7%BA%B3%E5%BE%B7%C2%B7%E6%9D%8E%E7%BB%B4%E6%96%AF%E7%89%B9/700199
[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E9%98%BF%E8%BF%AA%C2%B7%E8%90%A8%E8%8E%AB%E5%B0%94
[Link 3]: https://baike.baidu.com/item/%E4%BC%A6%E7%BA%B3%E5%BE%B7%C2%B7%E9%98%BF%E5%BE%B7%E6%9B%BC/12575612
[Link 4]: https://baike.baidu.com/item/%E9%BA%BB%E7%9C%81%E7%90%86%E5%B7%A5%E5%AD%A6%E9%99%A2/117999
[20201229193613333.jpg]: /images/20221120/c97f900debae474393b67ae2ac657c37.png
[https_www.bejson.com_enc_rsa]: https://www.bejson.com/enc/rsa/
[2020122920462180.png]: /images/20221120/8008e94bf5054e8d8937ba36738b7f8f.png