Java 实现 RSA 非对称加密算法：生成密钥对、保存/读取密钥、加密/解密

朱雀 2021-09-22 21:56 579阅读 0赞

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RSA 加密算法是一种非对称加密算法，即 RSA 拥有一对密钥（公钥 和 私钥），公钥可公开。公钥加密的数据，只能由私钥解密；私钥加密的数据只能由公钥解密。

为了方便读取和保存密钥，先创建一个 IO 工具类（`IOUtils.java`）：

package com.xiets.rsa;
    
    import java.io.*;
    
    /** * IO 工具类, 读写文件 * * @author xietansheng */
    public class IOUtils { 
    
        public static void writeFile(String data, File file) throws IOException { 
            OutputStream out = null;
            try { 
                out = new FileOutputStream(file);
                out.write(data.getBytes());
                out.flush();
            } finally { 
                close(out);
            }
        }
    
        public static String readFile(File file) throws IOException { 
            InputStream in = null;
            ByteArrayOutputStream out = null;
            try { 
                in = new FileInputStream(file);
                out = new ByteArrayOutputStream();
                byte[] buf = new byte[1024];
                int len = -1;
                while ((len = in.read(buf)) != -1) { 
                    out.write(buf, 0, len);
                }
                out.flush();
                byte[] data = out.toByteArray();
                return new String(data);
            } finally { 
                close(in);
                close(out);
            }
        }
    
        public static void close(Closeable c) { 
            if (c != null) { 
                try { 
                    c.close();
                } catch (IOException e) { 
                    // nothing
                }
            }
        }
    
    }

主要两个方法：

*  把文本保存到文件（String -> File）: `IOUtils.writeFile(String data, File file)`
 *  读取文件中的文本（File -> String）: `IOUtils.readFile(File file)`

## 1. 生成 RSA 密钥对 ##

Java 加密安全相关的类在 JDK 的`java.security.*`包下，以及下面使用到的类均为 JDK 内置的类。

### 1.1 生成密钥对 ###

// 获取指定算法的密钥对生成器
    KeyPairGenerator gen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
    
    // 初始化密钥对生成器（指定密钥长度, 使用默认的安全随机数源）
    gen.initialize(2048);
    
    // 随机生成一对密钥（包含公钥和私钥）
    KeyPair keyPair = gen.generateKeyPair();
    
    // 获取 公钥 和 私钥
    PublicKey pubKey = keyPair.getPublic();
    PrivateKey priKey = keyPair.getPrivate();

### 1.2 保存密钥 ###

#### 1.2.1 Base64 编码保存 ####

将密钥编码转换为 Base64 文本格式保存到文件：

// 获取 公钥和私钥 的 编码格式（通过该 编码格式 可以反过来 生成公钥和私钥对象）
    byte[] pubEncBytes = pubKey.getEncoded();
    byte[] priEncBytes = priKey.getEncoded();
    
    // 把 公钥和私钥 的 编码格式 转换为 Base64文本 方便保存
    String pubEncBase64 = new BASE64Encoder().encode(pubEncBytes);
    String priEncBase64 = new BASE64Encoder().encode(priEncBytes);
    
    // 保存 公钥和私钥 到指定文件
    IOUtils.writeFile(pubEncBase64, new File("pub.txt"));
    IOUtils.writeFile(priEncBase64, new File("pri.txt"));
    
    /* 通过该方法保存的密钥, 通用性较好, 使用其他编程语言也可以读取使用（推荐） */

#### 1.2.2 对象序列化保存 ####

PublicKey 和 PrivateKey 均实现了 java.io.Serializable 接口，可以直接将整个密钥对象序列化保存。通过该方法保存的密钥只能用 Java 代码读取反序列化重新生成对象使用。

// 创建对象输出流, 保存到指定的文件
    ObjectOutputStream pubOut = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("pub.obj"));
    ObjectOutputStream priOut = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("pri.obj"));
    
    // 将 公钥/私钥 对象序列号写入 对象输出流
    pubOut.writeObject(pubKey);
    priOut.writeObject(priKey);
    
    // 刷新并关闭流
    pubOut.flush();
    priOut.flush();
    pubOut.close();
    priOut.close();

### 1.3 读取密钥 ###

#### 1.3.1 读取密钥的 Base64 文本生成密钥对象 ####

*  读取公钥：

// 从 公钥保存的文件 读取 公钥的Base64文本
    String pubKeyBase64 = IOUtils.readFile(new File("pub.txt"));
    
    // 把 公钥的Base64文本 转换为已编码的 公钥bytes
    byte[] encPubKey = new BASE64Decoder().decodeBuffer(pubKeyBase64);
    
    // 创建 已编码的公钥规格
    X509EncodedKeySpec encPubKeySpec = new X509EncodedKeySpec(encPubKey);
    
    // 获取指定算法的密钥工厂, 根据 已编码的公钥规格, 生成公钥对象
    PublicKey pubKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(encPubKeySpec);

*  读取私钥：

// 从 私钥保存的文件 读取 私钥的base文本
    String priKeyBase64 = IOUtils.readFile(new File("pri.txt"));
    
    // 把 私钥的Base64文本 转换为已编码的 私钥bytes
    byte[] encPriKey = new BASE64Decoder().decodeBuffer(priKeyBase64);
    
    // 创建 已编码的私钥规格
    PKCS8EncodedKeySpec encPriKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(encPriKey);
    
    // 获取指定算法的密钥工厂, 根据 已编码的私钥规格, 生成私钥对象
    PrivateKey priKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(encPriKeySpec);

#### 1.3.2 反序列化生成密钥对象 ####

公钥和私钥对象被序列号保存后，可以通过反序列化生成回对象。

// 创建对象输如流, 读取保存到指定文件的序列化对象
    ObjectInputStream pubIn = new ObjectInputStream(new FileInputStream("pub.obj"));
    ObjectInputStream priIn = new ObjectInputStream(new FileInputStream("pri.obj"));
    
    // 从读取输如流读取对象, 反序列化生成 公钥/私钥 对象
    PublicKey pubKey = (PublicKey) pubIn.readObject();
    PrivateKey priKey = (PrivateKey) priIn.readObject();
    
    // 关闭流
    pubIn.close();
    priIn.close();

## 2. RSA 加密/解密数据 ##

RSA 非对称加密在使用中通常公钥公开，私钥保密，使用公钥加密，私钥解密。例如 客户端 给 服务端 加密发送数据：

1.  客户端从服务端获取公钥；
2.  客户端用公钥先加密要发送的数据，加密后发送给服务端；
3.  服务端拿到加密后的数据，用私钥解密得到原文。

公钥加密后的数据，只有用私钥才能解，只有服务端才有对应的私钥，因此只有服务端能解密，中途就算数据被截获，没有私钥依然不知道数据的原文内容，因此达到数据安全传输的目的。

### 2.1 公钥加密 ###

// 获取指定算法的密码器
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
    
    // 初始化密码器（公钥加密模型）
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
    
    // 加密数据, 返回加密后的密文
    byte[] cipherData = cipher.doFinal(plainData);

### 2.2 私钥解密 ###

// 获取指定算法的密码器
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
    
    // 初始化密码器（私钥解密模型）
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey);
    
    // 解密数据, 返回解密后的明文
    byte[] plainData = cipher.doFinal(cipherData);

### 2.3 加密/解密 完整代码实例： ###

package com.xiets.rsa;
    
    import javax.crypto.Cipher;
    import java.security.KeyPair;
    import java.security.KeyPairGenerator;
    import java.security.PrivateKey;
    import java.security.PublicKey;
    
    /** * @author xietansheng */
    public class Main { 
    
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            // 随机生成一对密钥（包含公钥和私钥）
            KeyPair keyPair = generateKeyPair();
            // 获取 公钥 和 私钥
            PublicKey pubKey = keyPair.getPublic();
            PrivateKey priKey = keyPair.getPrivate();
    
            // 原文数据
            String data = "你好, World!";
    
            // 客户端: 用公钥加密原文, 返回加密后的数据
            byte[] cipherData = encrypt(data.getBytes(), pubKey);
    
            // 服务端: 用私钥解密数据, 返回原文
            byte[] plainData = decrypt(cipherData, priKey);
    
            // 输出查看解密后的原文
            System.out.println(new String(plainData));  // 结果打印: 你好, World!
        }
    
        /** * 随机生成密钥对（包含公钥和私钥） */
        private static KeyPair generateKeyPair() throws Exception { 
            // 获取指定算法的密钥对生成器
            KeyPairGenerator gen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
    
            // 初始化密钥对生成器（密钥长度要适中, 太短不安全, 太长加密/解密速度慢）
            gen.initialize(2048);
    
            // 随机生成一对密钥（包含公钥和私钥）
            return gen.generateKeyPair();
        }
    
        /** * 公钥加密数据 */
        private static byte[] encrypt(byte[] plainData, PublicKey pubKey) throws Exception { 
            // 获取指定算法的密码器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
    
            // 初始化密码器（公钥加密模型）
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
    
            // 加密数据, 返回加密后的密文
            return cipher.doFinal(plainData);
        }
    
        /** * 私钥解密数据 */
        private static byte[] decrypt(byte[] cipherData, PrivateKey priKey) throws Exception { 
            // 获取指定算法的密码器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
    
            // 初始化密码器（私钥解密模型）
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey);
    
            // 解密数据, 返回解密后的明文
            return cipher.doFinal(cipherData);
        }
    
    }

## 3. 封装 RSA 工具类 ##

为了在实践中方便使用 RSA 加密/解密数据，把 RSA 的 生成密钥对、保存密钥、读取密钥、加密/解密 等操作封装到一个工具类中，方便直接使用。

### 2.1 工具类: RSAUtils.java ###

引用文章开头封装的 IO 工具类：`IOUtils.java`

RSA 工具类（`RSAUtils.java`）完整源码：

package com.xiets.rsa;
    
    import sun.misc.BASE64Decoder;
    import sun.misc.BASE64Encoder;
    
    import javax.crypto.Cipher;
    import java.io.File;
    import java.io.IOException;
    import java.security.*;
    import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
    import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
    
    /** * RSA 工具类（生成/保存密钥对、加密、解密） * * @author xietansheng */
    public class RSAUtils { 
    
        /** 算法名称 */
        private static final String ALGORITHM = "RSA";
    
        /** 密钥长度 */
        private static final int KEY_SIZE = 2048;
    
        /** * 随机生成密钥对（包含公钥和私钥） */
        public static KeyPair generateKeyPair() throws Exception { 
            // 获取指定算法的密钥对生成器
            KeyPairGenerator gen = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
    
            // 初始化密钥对生成器（指定密钥长度, 使用默认的安全随机数源）
            gen.initialize(KEY_SIZE);
    
            // 随机生成一对密钥（包含公钥和私钥）
            return gen.generateKeyPair();
        }
    
        /** * 将 公钥/私钥 编码后以 Base64 的格式保存到指定文件 */
        public static void saveKeyForEncodedBase64(Key key, File keyFile) throws IOException { 
            // 获取密钥编码后的格式
            byte[] encBytes = key.getEncoded();
    
            // 转换为 Base64 文本
            String encBase64 = new BASE64Encoder().encode(encBytes);
    
            // 保存到文件
            IOUtils.writeFile(encBase64, keyFile);
        }
    
        /** * 根据公钥的 Base64 文本创建公钥对象 */
        public static PublicKey getPublicKey(String pubKeyBase64) throws Exception { 
            // 把 公钥的Base64文本 转换为已编码的 公钥bytes
            byte[] encPubKey = new BASE64Decoder().decodeBuffer(pubKeyBase64);
    
            // 创建 已编码的公钥规格
            X509EncodedKeySpec encPubKeySpec = new X509EncodedKeySpec(encPubKey);
    
            // 获取指定算法的密钥工厂, 根据 已编码的公钥规格, 生成公钥对象
            return KeyFactory.getInstance(ALGORITHM).generatePublic(encPubKeySpec);
        }
    
        /** * 根据私钥的 Base64 文本创建私钥对象 */
        public static PrivateKey getPrivateKey(String priKeyBase64) throws Exception { 
            // 把 私钥的Base64文本 转换为已编码的 私钥bytes
            byte[] encPriKey = new BASE64Decoder().decodeBuffer(priKeyBase64);
    
            // 创建 已编码的私钥规格
            PKCS8EncodedKeySpec encPriKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(encPriKey);
    
            // 获取指定算法的密钥工厂, 根据 已编码的私钥规格, 生成私钥对象
            return KeyFactory.getInstance(ALGORITHM).generatePrivate(encPriKeySpec);
        }
    
        /** * 公钥加密数据 */
        public static byte[] encrypt(byte[] plainData, PublicKey pubKey) throws Exception { 
            // 获取指定算法的密码器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
    
            // 初始化密码器（公钥加密模型）
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
    
            // 加密数据, 返回加密后的密文
            return cipher.doFinal(plainData);
        }
    
        /** * 私钥解密数据 */
        public static byte[] decrypt(byte[] cipherData, PrivateKey priKey) throws Exception { 
            // 获取指定算法的密码器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM);
    
            // 初始化密码器（私钥解密模型）
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey);
    
            // 解密数据, 返回解密后的明文
            return cipher.doFinal(cipherData);
        }
    
    }

`RSAUtils`工具类中包含的静态方法：

// 随机生成密钥对（包含公钥和私钥）
    KeyPair generateKeyPair()
    // 将 公钥/私钥 编码后以 Base64 的格式保存到指定文件
    void saveKeyForEncodedBase64(Key key, File keyFile)
    
    // 根据公钥的 Base64 文本创建公钥对象
    PublicKey getPublicKey(String pubKeyBase64)
    // 根据私钥的 Base64 文本创建私钥对象
    PrivateKey getPrivateKey(String priKeyBase64)
    
    // 公钥加密数据
    byte[] encrypt(byte[] plainData, PublicKey pubKey)
    // 私钥解密数据
    byte[] decrypt(byte[] cipherData, PrivateKey priKey)

### 3.2 RSAUtils 使用实例 ###

引用文章开头封装的 IO 工具类：`IOUtils.java`

package com.xiets.rsa;
    
    import java.io.File;
    import java.security.KeyPair;
    import java.security.PrivateKey;
    import java.security.PublicKey;
    
    /** * @author xietansheng */
    public class Main { 
    
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            // 随机生成一对密钥（包含公钥和私钥）
            KeyPair keyPair = RSAUtils.generateKeyPair();
            // 获取 公钥 和 私钥
            PublicKey pubKey = keyPair.getPublic();
            PrivateKey priKey = keyPair.getPrivate();
    
            // 保存 公钥 和 私钥
            RSAUtils.saveKeyForEncodedBase64(pubKey, new File("pub.txt"));
            RSAUtils.saveKeyForEncodedBase64(priKey, new File("pri.txt"));
    
            /* * 上面代码是事先生成密钥对保存, * 下面代码是在实际应用中, 客户端和服务端分别拿现成的公钥和私钥加密/解密数据。 */
    
            // 原文数据
            String data = "你好, World!";
    
            // 客户端: 加密
            byte[] cipherData = clientEncrypt(data.getBytes(), new File("pub.txt"));
            // 服务端: 解密
            byte[] plainData = serverDecrypt(cipherData, new File("pri.txt"));
    
            // 输出查看原文
            System.out.println(new String(plainData));  // 结果打印: 你好, World!
        }
    
        /** * 客户端加密, 返回加密后的数据 */
        private static byte[] clientEncrypt(byte[] plainData, File pubFile) throws Exception { 
            // 读取公钥文件, 创建公钥对象
            PublicKey pubKey = RSAUtils.getPublicKey(IOUtils.readFile(pubFile));
    
            // 用公钥加密数据
            byte[] cipher = RSAUtils.encrypt(plainData, pubKey);
    
            return cipher;
        }
    
        /** * 服务端解密, 返回解密后的数据 */
        private static byte[] serverDecrypt(byte[] cipherData, File priFile) throws Exception { 
            // 读取私钥文件, 创建私钥对象
            PrivateKey priKey = RSAUtils.getPrivateKey(IOUtils.readFile(priFile));
    
            // 用私钥解密数据
            byte[] plainData = RSAUtils.decrypt(cipherData, priKey);
    
            return plainData;
        }
    
    }

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