常用数字签名算法RSA与DSA的Java程序内实现示例

2019-11-26 14:27:41

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供稿：网友

RSA加密算法
我们来回顾一下RSA的加密算法。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。
RSA公钥加密体制包含如下3个算法：KeyGen（密钥生成算法），Encrypt（加密算法）以及Decrypt（解密算法）。
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）。
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
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：
所以，从算法描述中我们也可以看出：公钥用于对数据进行加密，私钥用于对数据进行解密。当然了，这个也可以很直观的理解：公钥就是公开的密钥，其公开了大家才能用它来加密数据。私钥是私有的密钥，谁有这个密钥才能够解密密文。否则大家都能看到私钥，就都能解密，那不就乱套了。
下面就来看一下Java中的简单实现：

package com.stone.security;  import java.security.KeyPair; import java.security.KeyPairGenerator; import java.security.PrivateKey; import java.security.PublicKey; import java.util.Arrays;  import javax.crypto.Cipher;  /**  * RSA算法 公钥加密 非对称加密  */ public class RSA {  public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";  public static final String CIPHER_ALGORITHM_ECB1 = "RSA/ECB/PKCS1Padding";  public static final String CIPHER_ALGORITHM_ECB2 = "RSA/ECB/OAEPWithSHA-1AndMGF1Padding"; //不能用  public static final String CIPHER_ALGORITHM_ECB3 = "OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding"; //不能用   static PublicKey publicKey;  static PrivateKey privateKey;  static Cipher cipher;  static KeyPair keyPair;   public static void main(String[] args) throws Exception {  method1("斯柯达U*(Sfsad7f()*^%%$");  method2("斯柯达U*(Sfsad7f()*^%%$");  method3("斯柯达U*(Sfsad7f()*^%%$");    }   /**  * 公钥加密，私钥解密 使用默认CIPHER_ALGORITHM_ECB1  * @param str  * @throws Exception  */  static void method1(String str) throws Exception {  KeyPairGenerator keyGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);  KeyPair keyPair = keyGenerator.generateKeyPair();  publicKey = keyPair.getPublic();  privateKey = keyPair.getPrivate();  cipher = Cipher.getInstance(KEY_ALGORITHM);  cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey); //公钥加密  byte[] encrypt = cipher.doFinal(str.getBytes());  System.out.println("公钥加密后1：" + Arrays.toString(encrypt));    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);//私钥解密  byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt);  System.out.println("私钥解密后1：" + new String(decrypt));  }   /**  * 私钥加密，公钥解密 使用默认CIPHER_ALGORITHM_ECB1  * @param str  * @throws Exception  */  static void method2(String str) throws Exception {  KeyPairGenerator keyGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);  KeyPair keyPair = keyGenerator.generateKeyPair();  publicKey = keyPair.getPublic();  privateKey = keyPair.getPrivate();  cipher = Cipher.getInstance(KEY_ALGORITHM);  cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey); //私钥加密  byte[] encrypt = cipher.doFinal(str.getBytes());  System.out.println("私钥加密后2：" + Arrays.toString(encrypt));    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);//公钥解密  byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt);  System.out.println("公钥解密后2：" + new String(decrypt));  }   /**  * 私钥加密，公钥解密 使用CIPHER_ALGORITHM_ECB1 = RSA/ECB/PKCS1Padding  * @param str  * @throws Exception  */  static void method3(String str) throws Exception {  KeyPairGenerator keyGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);  KeyPair keyPair = keyGenerator.generateKeyPair();  publicKey = keyPair.getPublic();  privateKey = keyPair.getPrivate();  cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM_ECB1);  cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey); //私钥加密  byte[] encrypt = cipher.doFinal(str.getBytes());  System.out.println("私钥加密后3：" + Arrays.toString(encrypt));    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);//公钥解密  byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt);  System.out.println("公钥解密后3：" + new String(decrypt));  } }

DSA算法和数字签名
DSA 一般用于数字签名和认证。
DSA是Schnorr和ElGamal签名算法的变种，被美国NIST作为DSS(DigitalSignature Standard)。
DSA是基于整数有限域离散对数难题的，其安全性与RSA相比差不多。
在DSA数字签名和认证中，发送者使用自己的私钥对文件或消息进行签名，接受者收到消息后使用发送者的公钥
来验证签名的真实性。DSA只是一种算法，和RSA不同之处在于它不能用作加密和解密，也不能进行密钥交换，
只用于签名,它比RSA要快很多.

package com.stone.security;  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.spec.PKCS8EncodedKeySpec; import java.security.spec.X509EncodedKeySpec; import java.util.HashMap; import java.util.Map;  import sun.misc.BASE64Decoder; import sun.misc.BASE64Encoder;  /**  * DSA-Digital Signature Algorithm 是Schnorr和ElGamal签名算法的变种，被美国NIST作为DSS(DigitalSignature Standard)。  * 简单的说，这是一种更高级的验证方式，用作数字签名。不单单只有公钥、私钥，还有数字签名。私钥加密生成数字签名，公钥验证数据及签名。  * 如果数据和签名不匹配则认为验证失败！即 传输中的数据 可以不再加密，接收方获得数据后，拿到公钥与签名 验证数据是否有效  */ public class DSA {  /** *不仅可以使用DSA算法，同样也可以使用RSA算法做数字签名 */  public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";  public static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "MD5withRSA";*/   public static final String KEY_ALGORITHM = "DSA";  public static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "DSA";   public static final String DEFAULT_SEED = "$%^*%^()(HJG8awfjas7"; //默认种子  public static final String PUBLIC_KEY = "DSAPublicKey";  public static final String PRIVATE_KEY = "DSAPrivateKey";   public static void main(String[] args) throws Exception {  String str = "!@#$!#^$#&ZXVDF呆军工路爱着你*()_+";  byte[] data = str.getBytes();    Map<String, Object> keyMap = initKey();// 构建密钥  PublicKey publicKey = (PublicKey) keyMap.get(PUBLIC_KEY);  PrivateKey privateKey = (PrivateKey) keyMap.get(PRIVATE_KEY);  System.out.println("私钥format：" + privateKey.getFormat());  System.out.println("公钥format：" + publicKey.getFormat());      // 产生签名  String sign = sign(data, getPrivateKey(keyMap));    // 验证签名  boolean verify1 = verify("aaa".getBytes(), getPublicKey(keyMap), sign);  System.err.println("经验证 数据和签名匹配:" + verify1);    boolean verify = verify(data, getPublicKey(keyMap), sign);  System.err.println("经验证 数据和签名匹配:" + verify);  }   /**  * 生成密钥  *  * @param seed 种子  * @return 密钥对象  * @throws Exception  */  public static Map<String, Object> initKey(String seed) throws Exception {  System.out.println("生成密钥");    KeyPairGenerator keygen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);  SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();  secureRandom.setSeed(seed.getBytes());  //Modulus size must range from 512 to 1024 and be a multiple of 64  keygen.initialize(640, secureRandom);    KeyPair keys = keygen.genKeyPair();  PrivateKey privateKey = keys.getPrivate();  PublicKey publicKey = keys.getPublic();    Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>(2);  map.put(PUBLIC_KEY, publicKey);  map.put(PRIVATE_KEY, privateKey);  return map;  }   /**  * 生成默认密钥  *  * @return 密钥对象  * @throws Exception  */  public static Map<String, Object> initKey() throws Exception {  return initKey(DEFAULT_SEED);  }   /**  * 取得私钥  *  * @param keyMap  * @return  * @throws Exception  */  public static String getPrivateKey(Map<String, Object> keyMap) throws Exception {  Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY);  return encryptBASE64(key.getEncoded()); //base64加密私钥  }   /**  * 取得公钥  *  * @param keyMap  * @return  * @throws Exception  */  public static String getPublicKey(Map<String, Object> keyMap) throws Exception {  Key key = (Key) keyMap.get(PUBLIC_KEY);  return encryptBASE64(key.getEncoded()); //base64加密公钥  }   /**  * 用私钥对信息进行数字签名  * @param data 加密数据  * @param privateKey 私钥-base64加密的  * @return  * @throws Exception  */  public static String sign(byte[] data, String privateKey) throws Exception {  System.out.println("用私钥对信息进行数字签名");    byte[] keyBytes = decryptBASE64(privateKey);  PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);  KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);  PrivateKey priKey = factory.generatePrivate(keySpec);//生成 私钥    //用私钥对信息进行数字签名  Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);  signature.initSign(priKey);  signature.update(data);  return encryptBASE64(signature.sign());  }   /**  * 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) {  BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();  String encode = encoder.encode(data);  return encode;  }   /**  * BASE64Decoder 解密  * @param data 要解密的字符串  * @return 解密后的byte[]  * @throws Exception  */  private static byte[] decryptBASE64(String data) throws Exception {  BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder();  byte[] buffer = decoder.decodeBuffer(data);  return buffer;  }   /**  * 校验数字签名  * @param data 加密数据  * @param publicKey  * @param sign 数字签名  * @return  * @throws Exception  */  public static boolean verify(byte[] data, String publicKey, String sign) throws Exception {  byte[] keyBytes = decryptBASE64(publicKey);  X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);  KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);  PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(keySpec);    Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);  signature.initVerify(pubKey);  signature.update(data);    return signature.verify(decryptBASE64(sign)); //验证签名  }  }

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