【Java教程】Day14-08 加密与安全：非对称加密与RSA算法实现详解

最新推荐文章于 2025-06-06 18:36:41 发布

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1. 引言

在现代网络安全中，加密技术发挥着至关重要的作用。我们已经讨论过对称加密算法（如AES）如何处理数据加密的问题。然而，当涉及到如何安全地传输密钥时，单纯的对称加密便不足以解决问题，这时非对称加密就成为了关键技术之一。本文将详细介绍非对称加密的基本原理，以及常见的RSA算法如何在实际应用中提供加密解决方案。

2. 非对称加密的概念

非对称加密是指加密和解密使用不同的密钥对，即一个公钥和一个私钥。公钥是可以公开的，而私钥必须严格保密。只有与公钥对应的私钥才能解密由公钥加密的数据，反之亦然。

2.1 非对称加密的应用场景

假设小明要发送加密文件给小红，他首先向小红索取公钥，然后使用小红的公钥加密文件，最终发送给小红。因为只有小红的私钥可以解密这个文件，其他任何人都无法读取。因此，非对称加密广泛应用于安全的文件传输中。

2.2 非对称加密与对称加密的比较

对称加密：使用相同的密钥进行加密和解密。虽然运算速度较快，但在多个用户之间的密钥管理上较为复杂。
非对称加密：公钥可以公开，私钥保密。它允许在没有安全信道的情况下进行密钥交换，但由于计算过程较为复杂，其速度较慢。

因此，实际应用中，非对称加密和对称加密往往是结合使用的。非对称加密用于密钥交换，而对称加密则用于实际的数据加解密。

3. RSA算法概述

RSA算法是一种基于非对称加密原理的广泛应用的加密算法。它由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman三位科学家发明，因此得名RSA。RSA算法的核心思想基于大数分解的困难性，理论上即使知道公钥，也很难从中推算出私钥。

3.1 RSA的工作原理

密钥生成：RSA生成一对密钥，包括公钥和私钥。公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。
加密过程：发送方使用接收方的公钥加密消息。
解密过程：接收方使用自己的私钥解密消息。

3.2 为什么RSA与AES结合使用？

RSA加密虽然非常安全，但其计算速度较慢，无法处理大量数据。因此，在实际应用中，RSA通常用于加密一个对称加密的密钥（如AES密钥），然后使用AES加密进行数据的实际传输。

4. 使用RSA算法进行加密

在Java中，RSA加密可以通过Cipher类来实现。下面是一个基本的RSA加密和解密的示例代码。

4.1 示例代码：RSA加密与解密

javaimport java.security.*;import javax.crypto.Cipher;import java.util.HexFormat;public class Main {    public static void main(String[] args) throws Exception {        // 明文:        byte[] plain = "Hello, encrypt use RSA".getBytes("UTF-8");        // 创建公钥／私钥对:        Person alice = new Person("Alice");        // 用Alice的公钥加密:        byte[] pk = alice.getPublicKey();        System.out.println("public key: " + HexFormat.of().formatHex(pk));        byte[] encrypted = alice.encrypt(plain);        System.out.println("encrypted: " + HexFormat.of().formatHex(encrypted));        // 用Alice的私钥解密:        byte[] sk = alice.getPrivateKey();        System.out.println("private key: " + HexFormat.of().formatHex(sk));        byte[] decrypted = alice.decrypt(encrypted);        System.out.println(new String(decrypted, "UTF-8"));    }}class Person {    String name;    // 私钥:    PrivateKey sk;    // 公钥:    PublicKey pk;    public Person(String name) throws GeneralSecurityException {        this.name = name;        // 生成公钥／私钥对:        KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");        kpGen.initialize(1024);  // 设置密钥长度        KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();        this.sk = kp.getPrivate();        this.pk = kp.getPublic();    }    // 把私钥导出为字节    public byte[] getPrivateKey() {        return this.sk.getEncoded();    }    // 把公钥导出为字节    public byte[] getPublicKey() {        return this.pk.getEncoded();    }    // 用公钥加密:    public byte[] encrypt(byte[] message) throws GeneralSecurityException {        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, this.pk);        return cipher.doFinal(message);    }    // 用私钥解密:    public byte[] decrypt(byte[] input) throws GeneralSecurityException {        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, this.sk);        return cipher.doFinal(input);    }}

4.2 代码解析

生成密钥对：使用KeyPairGenerator类生成RSA的公钥和私钥。
加密操作：通过Cipher类，使用公钥对明文进行加密。
解密操作：通过Cipher类，使用私钥对加密后的数据进行解密。
密钥导出：公钥和私钥可以通过getEncoded()方法以字节数组的形式导出。

4.3 从字节数组恢复公钥和私钥

java// 恢复公钥:X509EncodedKeySpec pkSpec = new X509EncodedKeySpec(pkData);PublicKey pk = kf.generatePublic(pkSpec);// 恢复私钥:PKCS8EncodedKeySpec skSpec = new PKCS8EncodedKeySpec(skData);PrivateKey sk = kf.generatePrivate(skSpec);

通过这种方式，我们可以将存储在文件中的公钥和私钥恢复为PublicKey和PrivateKey对象，便于后续使用。