DH、RSA与ElGamal非对称加密算法实现及应用
1.对称加密与非对称加密概述
关于对称加密与非对称加密的概念这里不再多说，感兴趣可以看下我之前的几篇文章，下面说一说两者的主要区别。
对称加密算法数据安全，密钥管理复杂，密钥传递过程复杂，存在密钥泄露问题。
非对称加密算法强度复杂、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。
| 对称加密 | 非对称加密 | |
|---|---|---|
| 算法复杂度 | 弱 | 强 |
| 加解密速度 | 快 | 慢 |
| 安全性 | 低 | 高 |
| 常见算法 | DES、3DES、Blowfish、IDEA、RC4、RC5、RC6、AES | RSA、DSA、ECC、Diffie-Hellman、El Gamal |
2.DH算法实现过程及相关类详解
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。
流程分析：
1.甲方构建密钥对儿，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儿，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。
Java代码：
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.*;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;
import java.util.Objects;
public class DH {
private static final String src = "dh test";
public static void main(String[] args) {
jdkDH();
}
// jdk实现：
public static void jdkDH() {
try {
// 1.发送方初始化密钥，将公钥给接收方
KeyPairGenerator senderKeyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
senderKeyPairGenerator.initialize(512);
KeyPair senderKeyPair = senderKeyPairGenerator.generateKeyPair();
// 发送方公钥，发送给接收方（通过网络或文件的形式）
PublicKey senderPublicKey = senderKeyPair.getPublic(); // 公钥
PrivateKey senderPrivateKey = senderKeyPair.getPrivate(); // 私钥
// 接收方还原发送方公钥
KeyFactory receiverKeyFactory = KeyFactory.getInstance("DH");
X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(senderPublicKey.getEncoded());
senderPublicKey = receiverKeyFactory.generatePublic(x509EncodedKeySpec);
// 2.接收方通过发送方的公钥构建密钥，将公钥给发送方
DHParameterSpec dhParameterSpec = ((DHPublicKey) senderPublicKey).getParams();
KeyPairGenerator receiverKeyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
receiverKeyPairGenerator.initialize(dhParameterSpec);
KeyPair receiverKeypair = receiverKeyPairGenerator.generateKeyPair();
PrivateKey receiverPrivateKey = receiverKeypair.getPrivate(); // 私钥
PublicKey receiverPublicKey = receiverKeypair.getPublic(); // 公钥
// 3.接收方使用自己的私钥和发送方的公钥构建本地密钥
KeyAgreement receiverKeyAgreement = KeyAgreement.getInstance("DH");
receiverKeyAgreement.init(receiverPrivateKey);
receiverKeyAgreement.doPhase(senderPublicKey, true);
SecretKey receiverDesKey = receiverKeyAgreement.generateSecret("DES");
// 发送方还原接收方公钥
KeyFactory senderKeyFactory = KeyFactory.getInstance("DH");
x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(receiverPublicKey.getEncoded());
receiverPublicKey = senderKeyFactory.generatePublic(x509EncodedKeySpec);
// 4.发送方使用自己的私钥和接收方的公钥构建本地密钥
KeyAgreement senderKeyAgreement = KeyAgreement.getInstance("DH");
senderKeyAgreement.init(senderPrivateKey);
senderKeyAgreement.doPhase(receiverPublicKey, true);
SecretKey senderDesKey = senderKeyAgreement.generateSecret("DES");
if (Objects.equals(receiverDesKey, senderDesKey)) {
System.out.println("双方密钥相同");
}
// 5.发送方使用本地密钥加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, senderDesKey);
byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
System.out.println("bc dh encrypt:" + Base64.getEncoder().encodeToString(result));
// 6.接收方使用本地密钥解密
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, receiverDesKey);
result = cipher.doFinal(result);
System.out.println("bc dh decrypt:" + new String(result));
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
注意：因为JDK的版本问题，如果遇到异常java.security.NoSuchAlgorithmException: Unsupported secret key algorithm: DES，可以在运行的时候追加JVM参数-Djdk.crypto.KeyAgreement.legacyKDF=true
3.RSA算法实现及应用
RSA是目前最有影响力的公钥加密算法，它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算法支持公钥加密、私钥解密以及私钥加密、公钥解密。
RSA算法既可以用于加密也可用于数字签名。
Java代码：
import javax.crypto.Cipher;
import java.security.*;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;
public class RSA {
public static final String src = "rsa test";
public static void main(String[] args) {
jdkRSA();
}
// jdk实现：
public static void jdkRSA() {
try {
// 1.生成公钥和私钥
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
keyPairGenerator.initialize(512);
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
RSAPublicKey rsaPublicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
RSAPrivateKey rsaPrivateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
System.out.println("Public Key:" + Base64.getEncoder().encodeToString(rsaPublicKey.getEncoded()));
System.out.println("Private Key:" + Base64.getEncoder().encodeToString(rsaPrivateKey.getEncoded()));
// 2.私钥加密、公钥解密 ---- 加密
//PKCS8EncodedKeySpec类表示私钥的ASN.1编码。
PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(rsaPrivateKey.getEncoded());
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
System.out.println("私钥加密、公钥解密 ---- 加密:" + Base64.getEncoder().encodeToString(result));
// 3.私钥加密、公钥解密 ---- 解密
//X509EncodedKeySpec类表示根据ASN.1类型SubjectPublicKeyInfo编码的公钥的ASN.1编码。
X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(rsaPublicKey.getEncoded());
keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(x509EncodedKeySpec);
cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);
result = cipher.doFinal(result);
System.out.println("私钥加密、公钥解密 ---- 解密:" + new String(result));
// 4.公钥加密、私钥解密 ---- 加密
//X509EncodedKeySpec类表示根据ASN.1类型SubjectPublicKeyInfo编码的公钥的ASN.1编码。
X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec2 = new X509EncodedKeySpec(rsaPublicKey.getEncoded());
KeyFactory keyFactory2 = KeyFactory.getInstance("RSA");
PublicKey publicKey2 = keyFactory2.generatePublic(x509EncodedKeySpec2);
Cipher cipher2 = Cipher.getInstance("RSA");
cipher2.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey2);
byte[] result2 = cipher2.doFinal(src.getBytes());
System.out.println("公钥加密、私钥解密 ---- 加密:" + Base64.getEncoder().encodeToString(result2));
// 5.私钥解密、公钥加密 ---- 解密
//PKCS8EncodedKeySpec类表示私钥的ASN.1编码。
PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec5 = new PKCS8EncodedKeySpec(rsaPrivateKey.getEncoded());
KeyFactory keyFactory5 = KeyFactory.getInstance("RSA");
PrivateKey privateKey5 = keyFactory5.generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec5);
Cipher cipher5 = Cipher.getInstance("RSA");
cipher5.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey5);
byte[] result5 = cipher5.doFinal(result2);
System.out.println("公钥加密、私钥解密 ---- 解密:" + new String(result5));
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
图解流程：
4.非对称加密算法ElGamal
在密码学中，ElGamal加密算法是一个基于迪菲-赫尔曼密钥交换的非对称加密算法。它在1985年由塔希尔·盖莫尔提出。GnuPG和PGP等很多密码学系统中都应用到了ElGamal算法。
ElGamal加密系统通常应用在混合加密系统中。例如：用对称加密体制来加密消息，然后利用ElGamal加密算法传递密钥。这是因为在同等安全等级下，ElGamal加密算法作为一种非对称密码学系统，通常比对称加密体制要慢。对称加密算法的密钥和要传递的消息相比通常要短得多，所以相比之下使用ElGamal加密密钥然后用对称加密来加密任意长度的消息，这样要更快一些。
ElGamal算法只提供了公钥加密，私钥解密形式，Jdk中没有实现，Bouncy Castle中对其进行了实现。
导入Bouncy Castle依赖：
<dependency>
<groupId>org.bouncycastle</groupId>
<artifactId>bcprov-jdk15</artifactId>
<version>1.46</version>
</dependency>
Java代码：
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.DHParameterSpec;
import java.security.*;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;
public class ElGamal {
//非对称密钥算法
public static final String EL_GAMAL = "ElGamal";
/**
* 密钥长度，DH算法的默认密钥长度是1024
* 密钥长度必须是8的倍数，在160到16384位之间
*/
private static final int KEY_SIZE = 256;
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("=============接收方构建密钥对=============");
// 加入对BouncyCastle支持
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
AlgorithmParameterGenerator apg = AlgorithmParameterGenerator.getInstance(EL_GAMAL);
//初始化参数生成器
apg.init(KEY_SIZE);
//生成算法参数
AlgorithmParameters params = apg.generateParameters();
//构建参数材料
DHParameterSpec elParams = params.getParameterSpec(DHParameterSpec.class);
//实例化密钥生成器
KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(EL_GAMAL);
//初始化密钥对生成器
kpg.initialize(elParams, new SecureRandom());
KeyPair keyPair = kpg.generateKeyPair();
//公钥
PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
//私钥
PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
System.out.println("公钥：" + Base64.getEncoder().encodeToString(publicKey.getEncoded()));
System.out.println("私钥：" + Base64.getEncoder().encodeToString(privateKey.getEncoded()));
System.out.println("=============密钥对构造完毕，接收方将公钥公布给发送方=============");
String str = "ElGamal密码交换算法";
System.out.println("原文：" + str);
System.out.println("=============发送方还原接收方公钥，并使用公钥对数据进行加密=============");
//还原公钥
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(EL_GAMAL);
X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey.getEncoded());
publicKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
System.out.println("公钥：" + Base64.getEncoder().encodeToString(publicKey.getEncoded()));
//数据加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
byte[] bytes = cipher.doFinal(str.getBytes());
System.out.println("加密后的数据：" + Base64.getEncoder().encodeToString(bytes));
System.out.println("=============接收方使用私钥对数据进行解密===========");
//还原私钥
PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey.getEncoded());
keyFactory = KeyFactory.getInstance(EL_GAMAL);
privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
//数据解密
cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
byte[] bytes1 = cipher.doFinal(bytes);
System.out.println("解密后的数据：" + new String(bytes1));
}
}
图解流程：
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