RSA公钥加密机制跨语言应用实战

在公钥密码学中(也称为非对称密码学)，加密机制依赖于两个密钥：公钥和私钥。公钥用于加密消息，而只有私钥的所有者才能解密消息。实际应用中通常需要对公钥和私钥进行序列化，然后分发密钥实现在不同场景、不同语言环境中使用。本文主要介绍如何生成RSA密钥对并序列化为文件，最后使用密钥对进行跨语言应用。

概念介绍

RSA, 即 Rivest–Shamir–Adleman,是非对称加密算法。不同于对称加密算法(如AES、DES)，它需要两个密钥，公钥可共享给任何人，用于加密信息；私钥仅我们自己保存，用于解密数据。

• X.509 是定义公钥证书格式的标准，用于描述公钥及其他信息。

• PKCS8 是存储私钥的标准。为了安全起见，可以使用对称加密算法对私钥再次进行加密。该标准不仅可以处理RSA私钥，还可以处理其他算法。PKCS8私钥通常通过PEM编码格式进行交换。

• DER 是最流行的数据存储编码格式，如X.509证书文件、PKCS8私钥文件。它是二进制编码格式，内容不能通过文本文件直接查看。

• PEM 是对DER证书内容进行base64编码的机制，PEM也能编码其他类型数据，如公钥、私钥以及请求证书。PEM文件还可能包括一些格式信息，示例如下：

-----BEGIN PUBLIC KEY-----
...Base64 encoding of the DER encoded certificate...
-----END PUBLIC KEY-----

生成RSA密钥对

正式开始加密之前，需要生成RSA密钥对。可以使用java.security包中的KeyPairGenerator类实现：

KeyPairGenerator generator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
generator.initialize(2048);
KeyPair pair = generator.generateKeyPair();

生成密钥为2048个字节，下面可以生成公钥和私钥：

PrivateKey privateKey = pair.getPrivate();
PublicKey publicKey = pair.getPublic();

现在可以使用公钥加密数据，私钥解密数据。在加密数据之前，我们可能需要传输密钥，下面先看看如何把密钥保存为文件。

保存密钥文件

把密钥对存储在内存中不是好的选项，大多数情况下密钥不会变化，因此可以存储为文件，还可能需要分发给别人。

DER编码文件

通过getEncoded()方法，返回密钥内容的字节数组：

try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("public.key")) {fos.write(publicKey.getEncoded());
}

从文件中读取key，返回字节数组：

File publicKeyFile = new File("public.key");
byte[] publicKeyBytes = Files.readAllBytes(publicKeyFile.toPath());

然后使用KeyFactory类重新创建密钥实例：

KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
EncodedKeySpec publicKeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKeyBytes);
keyFactory.generatePublic(publicKeySpec);

密钥字节内容需要使用EncodedKeySpec进行包装。这里使用X509EncodedKeySpec标准，它是缺省标准。上面实例实现了公钥的保存和读取，也可以使用同样方式实现对私钥的保存和读取。这里需要提醒的是：尽可能保障私钥的安全，我们还可以对私钥进行对称加密，防止非法访问带来安全问题。

PEM编码文件

DER编码文件是二进制格式，不能使用文本文件直接查看。下面介绍存储密钥为PEM编码文件，即使用BASE64进行编码，保存为文本文件。

首先是文件写入：

    Base64.Encoder encoder = Base64.getEncoder();// 密钥对的文件名String outFile = "pairFileName";FileOutputStream out = new FileOutputStream(outFile + ".key");out.write(encoder.encode(privateKey.getEncoded()));out.close();System.err.println("Private key format: " + privateKey.getFormat());out = new FileOutputStream(outFile + ".pub");out.write(encoder.encode(publicKey.getEncoded()));out.close();System.err.println("Public key format: " + publicKey.getFormat());

没有特别的部分，仅使用encoder.encode进行Base64编码。

下面是读取过程：

    /* Read all the public key bytes */Path path = Paths.get(fileName + ".pub");byte[] bytes = Files.readAllBytes(path);Base64.Decoder deCoder = Base64.getDecoder();/* Generate public key. */X509EncodedKeySpec ks = new X509EncodedKeySpec(deCoder.decode(bytes));KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("RSA");PublicKey publicKey = kf.generatePublic(ks);System.err.println("Public key format: " + publicKey.getFormat());

没有太多要解释的，仅多了一步解码过程，私钥的读取过程类似。

如果PEM文件包括格式信息，则读取前需要先处理：

public RSAPrivateKey readPrivateKey(File file) throws Exception {String key = new String(Files.readAllBytes(file.toPath()), Charset.defaultCharset());Base64.Decoder deCoder = Base64.getDecoder();String privateKeyPEM = key.replace("-----BEGIN PRIVATE KEY-----", "").replaceAll(System.lineSeparator(), "").replace("-----END PRIVATE KEY-----", "");byte[] encoded = deCoder.decode(privateKeyPEM);KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(encoded);return (RSAPrivateKey) keyFactory.generatePrivate(keySpec);
}

RSA加密解密数据

加密过程

现在如何对简单字符串进行加密解密。首先定义明文字符串：

String secretMessage = "These are secret messages";

需要使用Cipher对象并初始化为公钥加密模式：

Cipher encryptCipher = Cipher.getInstance("RSA");
encryptCipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);

准备好cipher对象，使用doFinal方法加密消息，它的参数为字节数组，因此调用前需要对字符串进行转换：

byte[] secretMessageBytes = secretMessage.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);)
byte[] encryptedMessageBytes = encryptCipher.doFinal(secretMessageBytes);

啊哈，终于成功加密了消息。如果需要在数据库中存储消息或通过REST API发送消息，仍然需要使用BASE64进行编码：

String encodedMessage = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedMessageBytes);

Base64.getEncoder()是apache commons提供的工具类。编码后消息更易使用、方便读取。

解密过程

现在解释解密密文为明文。仍然需要cipher实例，这次初始化为解密模式，同时需要传入私钥：

Cipher decryptCipher = Cipher.getInstance("RSA");
decryptCipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);

和前面一样执行DoFinal方法：

byte[] decryptedMessageBytes = decryptCipher.doFinal(encryptedMessageBytes);
String decryptedMessage = new String(decryptedMessageBytes, StandardCharsets.UTF_8);

需要说明的是，如果是Base64格式，需要先解码。

跨语言使用

我们使用Golang生成rsa密钥对，然后通过java解密或验证。

golang生成密钥对

func main() {// Create the keys pairpriv, pub := GenerateRsaKeyPair()// Export the keys to pem stringpriv_pem := ExportRsaPrivateKeyAsPemStr(priv)pub_pem, _ := ExportRsaPublicKeyAsPemStr(pub)writeFile(priv_pem, "pri.key")writeFile(pub_pem, "pub.key")// 使用公钥加密文本var reqCode string = "These are secret messages"reqCodes, _ := rsa.EncryptPKCS1v15(rand.Reader, pub, []byte(reqCode))reqString := base64.StdEncoding.EncodeToString(reqCodes)writeFile(reqString, "reqStr.txt")
} func writeFile(content string, fileName string) {file, _ := os.Create(fileName)defer file.Close()_, _ = file.WriteString(content)
}func GenerateRsaKeyPair() (*rsa.PrivateKey, *rsa.PublicKey) {privkey, _ := rsa.GenerateKey(rand.Reader, 2048)return privkey, &privkey.PublicKey
}func ExportRsaPublicKeyAsPemStr(pubkey *rsa.PublicKey) (string, error) {pubkey_bytes, err := x509.MarshalPKIXPublicKey(pubkey)if err != nil {return "", err}pubkey_pem := pem.EncodeToMemory(&pem.Block{Type:  "RSA PUBLIC KEY",Bytes: pubkey_bytes,},)return string(pubkey_pem), nil
}func ExportRsaPrivateKeyAsPemStr(privkey *rsa.PrivateKey) string {privkey_bytes, _ := x509.MarshalPKCS8PrivateKey(privkey)privkey_pem := pem.EncodeToMemory(&pem.Block{Type:  "RSA PRIVATE KEY",Bytes: privkey_bytes,},)return string(privkey_pem)
}

java用私钥解密

这里使用java8 进行解密：

public static void main(String[] args) throws Exception {RsaTools tools = new RsaTools();// 读取待解密文件内容byte[] deString = Files.readAllBytes(Paths.get("reqStr.txt"));String result = tools.decrypt(new String(deString, StandardCharsets.UTF_8));System.out.println(result);
}// 从文件加载私钥
public PrivateKey readPrivateKey(File file) throws Exception {KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance("RSA");try (FileReader keyReader = new FileReader(file);PemReader pemReader = new PemReader(keyReader)) {PemObject pemObject = pemReader.readPemObject();byte[] content = pemObject.getContent();PKCS8EncodedKeySpec privKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(content);return factory.generatePrivate(privKeySpec);}
}// 利用私钥解密
public String decrypt(String deStr) throws Exception {Cipher decryptCipher = Cipher.getInstance("RSA");PrivateKey privateKey = readPrivateKey(new File("pri.key"));decryptCipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);// 密文需要使用Base64解码byte[] decryptedMessageBytes = decryptCipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(deStr));String decryptedMessage = new String(decryptedMessageBytes, StandardCharsets.UTF_8);return decryptedMessage;
}

总结

本文介绍了如何生成RSA密钥对，并利用相关标准生成密钥文件，最后通过实例展示如何实现跨语言应用。