常用數字簽名算法RSA與DSA的Java程序內實現示例

RSA加密算法
我們來回顧一下RSA的加密算法。我們從公鑰加密算法和簽名算法的定義出發，用比較規範的語言來描述這一算法。
RSA公鑰加密體制包含如下3個算法：KeyGen（密鑰生成算法），Encrypt（加密算法）以及Decrypt（解密算法）。
密鑰生成算法以安全常數作為輸入，輸出一個公鑰PK，和一個私鑰SK。安全常數用於確定這個加密算法的安全性有多高，一般以加密算法使用的質數p的大小有關。越大，質數p一般越大，保證體制有更高的安全性。在RSA中，密鑰生成算法如下：算法首先隨機產生兩個不同大質數p和q，計算N=pq。隨後，算法計算歐拉函數。接下來，算法隨機選擇一個小於的整數e，併計算e關於的模反元素d。最後，公鑰為PK=(N, e)，私鑰為SK=（N, d）。
加密算法以公鑰PK和待加密的消息M作為輸入，輸出密文CT。在RSA中，加密算法如下：算法直接輸出密文為解密算法以私鑰SK和密文CT作為輸入，輸出消息M。在RSA中，解密算法如下：算法直接輸出明文為。由於e和d在下互逆，因此我們有：
所以，從算法描述中我們也可以看出：公鑰用於對數據進行加密，私鑰用於對數據進行解密。當然了，這個也可以很直觀的理解：公鑰就是公開的密鑰，其公開了大家才能用它來加密數據。私鑰是私有的密鑰，誰有這個密鑰才能夠解密密文。否則大家都能看到私鑰，就都能解密，那不就亂套了。
下面就來看一下Java中的簡單實現：

 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算法公鑰加密非對稱加密*/ 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("斯柯達U*(Sfsad7f()*^%%$"); method2("斯柯達U*(Sfsad7f()*^%%$"); method3("斯柯達U*(Sfsad7f()*^%%$"); } /** * 公鑰加密，私鑰解密使用默認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); //公鑰加密byte[] encrypt = cipher.doFinal(str.getBytes()); System.out.println("公鑰加密後1：" + Arrays.toString(encrypt)); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);//私鑰解密byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt); System.out.println("私鑰解密後1：" + new String(decrypt)); } /** * 私鑰加密，公鑰解密使用默認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); //私鑰加密byte[] encrypt = cipher.doFinal(str.getBytes()); System.out.println("私鑰加密後2：" + Arrays.toString(encrypt)); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);//公鑰解密byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt); System.out.println("公鑰解密後2：" + new String(decrypt)); } /** * 私鑰加密，公鑰解密使用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); //私鑰加密byte[] encrypt = cipher.doFinal(str.getBytes()); System.out.println("私鑰加密後3：" + Arrays.toString(encrypt)); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);//公鑰解密byte[] decrypt = cipher.doFinal(encrypt); System.out.println("公鑰解密後3：" + new String(decrypt)); } }

DSA算法和數字簽名
DSA 一般用於數字簽名和認證。
DSA是Schnorr和ElGamal簽名算法的變種，被美國NIST作為DSS(DigitalSignature Standard)。
DSA是基於整數有限域離散對數難題的，其安全性與RSA相比差不多。
在DSA數字簽名和認證中，發送者使用自己的私鑰對文件或消息進行簽名，接受者收到消息後使用發送者的公鑰來驗證簽名的真實性。 DSA只是一種算法，和RSA不同之處在於它不能用作加密和解密，也不能進行密鑰交換，
只用於簽名,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簽名算法的變種，被美國NIST作為DSS(DigitalSignature Standard)。 * 簡單的說，這是一種更高級的驗證方式，用作數字簽名。不單單只有公鑰、私鑰，還有數字簽名。私鑰加密生成數字簽名，公鑰驗證數據及簽名。 * 如果數據和簽名不匹配則認為驗證失敗！即傳輸中的數據可以不再加密，接收方獲得數據後，拿到公鑰與簽名驗證數據是否有效*/ public class DSA { /** *不僅可以使用DSA算法，同樣也可以使用RSA算法做數字簽名*/ 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 = "$%^*%^()(HJG8awfjas7"; //默認種子public static final String PUBLIC_KEY = "DSAPublicKey"; public static final String PRIVATE_KEY = "DSAPrivateKey"; public static void main(String[] args) throws Exception { String str = "!@#$!#^$#&ZXVDF呆軍工路愛著你*()_+"; byte[] data = str.getBytes(); Map<String, Object> keyMap = initKey();// 構建密鑰PublicKey publicKey = (PublicKey) keyMap.get(PUBLIC_KEY); PrivateKey privateKey = (PrivateKey) keyMap.get(PRIVATE_KEY); System.out.println("私鑰format：" + privateKey.getFormat()); System.out.println("公鑰format：" + publicKey.getFormat()); // 產生簽名String sign = sign(data, getPrivateKey(keyMap)); // 驗證簽名boolean verify1 = verify("aaa".getBytes(), getPublicKey(keyMap), sign); System.err.println("經驗證數據和簽名匹配:" + verify1); boolean verify = verify(data, getPublicKey(keyMap), sign); System.err.println("經驗證數據和簽名匹配:" + verify); } /** * 生成密鑰* * @param seed 種子* @return 密鑰對象* @throws Exception */ public static Map<String, Object> initKey(String seed) throws Exception { System.out.println("生成密鑰"); 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; } /** * 生成默認密鑰* * @return 密鑰對象* @throws Exception */ public static Map<String, Object> initKey() throws Exception { return initKey(DEFAULT_SEED); } /** * 取得私鑰* * @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加密私鑰} /** * 取得公鑰* * @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加密公鑰} /** * 用私鑰對信息進行數字簽名* @param data 加密數據* @param privateKey 私鑰-base64加密的* @return * @throws Exception */ public static String sign(byte[] data, String privateKey) throws Exception { System.out.println("用私鑰對信息進行數字簽名"); byte[] keyBytes = decryptBASE64(privateKey); PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes); KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM); PrivateKey priKey = factory.generatePrivate(keySpec);//生成私鑰//用私鑰對信息進行數字簽名Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM); signature.initSign(priKey); signature.update(data); return encryptBASE64(signature.sign()); } /** * BASE64Encoder 加密* @param data 要加密的數據* @return 加密後的字符串*/ 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 解密後的byte[] * @throws Exception */ private static byte[] decryptBASE64(String data) throws Exception { BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder(); byte[] buffer = decoder.decodeBuffer(data); return buffer; } /** * 校驗數字簽名* @param data 加密數據* @param publicKey * @param sign 數字簽名* @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)); //驗證簽名} }