公钥加解密及SSL/TLS协议概述

公开密钥加密，也称为非对称加密，一种密码学算法类型，在这种密码学方法中，需要一对密钥，一个是私人密钥，另一个则是公开密钥。这两个密钥是数学相关。用某用户的密钥加密后所得的信息，只能用该用户的解密密钥才能解密。如果知道了其中一个，并不能计算出另外一个。因此如果公开了一对密钥中的一个，并不会危害到另外一个的秘密性质。
如果加密密钥是公开的，这用于给私钥所有者上传加密的数据，这被称作为公开密钥加密。
如果解密密钥是公开的，用私钥加密的信息，可以用公钥对其解密，用户客户验证持有私钥一方发布的数据或文件是完整准确的，接收者由此可知这条信息确实来自于拥有私钥的某人，这被称作数字签名，公钥的形式就是数字证书。

与对称密钥加密相比，公钥加密无需共享通用密钥，解密的私钥不发往任何用户。即使公钥在网上被截获，如果没有与其匹配的私钥，也无法解密，所截获的公钥是没有任何用处的。

但公钥加密只能加密少量的数据，因此，一个完整的密码体系，往往通过公钥加密来创建私有密钥，然后用私有密钥通过对称密码学加密大量数据。公钥加密的另一个功能 —— 数字签名 ，则是对称密钥加密无法实现的。

Java实现公钥（RSA）加密

RSA公钥与私钥的产生：
假设Alice想要通过一个不可靠的媒体接收Bob的一条私人信息。她可以用以下的方式来产生一个公钥和一个私钥：
1.随意选择两个大的指数p和q，p不等于q，就是那N=p*q。
根据欧拉函数，求得r=(p-1)(q-1)
3.选择一个小于r的整数e，求得e关于模r的模反元素，命名为d.（模反元素存在，当且仅当e与r互质）
4.将p和q的记录销毁。
（N,e）是公钥，（N,d）是私钥，Alice将他的公钥（N,e）传给Bob,而将她的私钥（N,d）藏起来。

import java.io.BufferedReader;import java.io.BufferedWriter;import java.io.FileReader;import java.io.FileWriter;import java.io.IOException;import java.security.InvalidKeyException;import java.security.KeyFactory;import java.security.KeyPair;import java.security.KeyPairGenerator;import java.security.NoSuchAlgorithmException;import java.security.SecureRandom;import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;import java.security.interfaces.RSAPublicKey;import java.security.spec.InvalidKeySpecException;import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;import javax.crypto.BadPaddingException;import javax.crypto.Cipher;import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;import javax.crypto.NoSuchPaddingException;import com.sun.org.apache.xml.internal.security.utils.Base64;      public class RSAEncrypt {      /**      * 字节数据转字符串专用集合      */      private static final char[] HEX_CHAR = { '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6',              '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f' };        /**      * 随机生成密钥对      */      public static void genKeyPair(String filePath) {          // KeyPairGenerator类用于生成公钥和私钥对，基于RSA算法生成对象          KeyPairGenerator keyPairGen = null;          try {              keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");          } catch (NoSuchAlgorithmException e) {              // TODO Auto-generated catch block              e.printStackTrace();          }          // 初始化密钥对生成器，密钥大小为96-1024位          keyPairGen.initialize(1024,new SecureRandom());          // 生成一个密钥对，保存在keyPair中          KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();          // 得到私钥          RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();          // 得到公钥          RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();          try {              // 得到公钥字符串              String publicKeyString = Base64.encode(publicKey.getEncoded());              // 得到私钥字符串              String privateKeyString = Base64.encode(privateKey.getEncoded());              // 将密钥对写入到文件              FileWriter pubfw = new FileWriter(filePath + "/publicKey.keystore");              FileWriter prifw = new FileWriter(filePath + "/privateKey.keystore");              BufferedWriter pubbw = new BufferedWriter(pubfw);              BufferedWriter pribw = new BufferedWriter(prifw);              pubbw.write(publicKeyString);              pribw.write(privateKeyString);              pubbw.flush();              pubbw.close();              pubfw.close();              pribw.flush();              pribw.close();              prifw.close();          } catch (Exception e) {              e.printStackTrace();          }      }        /**      * 从文件中输入流中加载公钥      *       * @param in      *            公钥输入流      * @throws Exception      *             加载公钥时产生的异常      */      public static String loadPublicKeyByFile(String path) throws Exception {          try {              BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(path                      + "/publicKey.keystore"));              String readLine = null;              StringBuilder sb = new StringBuilder();              while ((readLine = br.readLine()) != null) {                  sb.append(readLine);              }              br.close();              return sb.toString();          } catch (IOException e) {              throw new Exception("公钥数据流读取错误");          } catch (NullPointerException e) {              throw new Exception("公钥输入流为空");          }      }        /**      * 从字符串中加载公钥      *       * @param publicKeyStr      *            公钥数据字符串      * @throws Exception      *             加载公钥时产生的异常      */      public static RSAPublicKey loadPublicKeyByStr(String publicKeyStr)              throws Exception {          try {              byte[] buffer = Base64.decode(publicKeyStr);              KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");              X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(buffer);              return (RSAPublicKey) keyFactory.generatePublic(keySpec);          } catch (NoSuchAlgorithmException e) {              throw new Exception("无此算法");          } catch (InvalidKeySpecException e) {              throw new Exception("公钥非法");          } catch (NullPointerException e) {              throw new Exception("公钥数据为空");          }      }        /**      * 从文件中加载私钥      *       * @param keyFileName      *            私钥文件名      * @return 是否成功      * @throws Exception      */      public static String loadPrivateKeyByFile(String path) throws Exception {          try {              BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(path                      + "/privateKey.keystore"));              String readLine = null;              StringBuilder sb = new StringBuilder();              while ((readLine = br.readLine()) != null) {                  sb.append(readLine);              }              br.close();              return sb.toString();          } catch (IOException e) {              throw new Exception("私钥数据读取错误");          } catch (NullPointerException e) {              throw new Exception("私钥输入流为空");          }      }        public static RSAPrivateKey loadPrivateKeyByStr(String privateKeyStr)              throws Exception {          try {              byte[] buffer = Base64.decode(privateKeyStr);              PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(buffer);              KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");              return (RSAPrivateKey) keyFactory.generatePrivate(keySpec);          } catch (NoSuchAlgorithmException e) {              throw new Exception("无此算法");          } catch (InvalidKeySpecException e) {              throw new Exception("私钥非法");          } catch (NullPointerException e) {              throw new Exception("私钥数据为空");          }      }        /**      * 公钥加密过程      *       * @param publicKey      *            公钥      * @param plainTextData      *            明文数据      * @return      * @throws Exception      *             加密过程中的异常信息      */      public static byte[] encrypt(RSAPublicKey publicKey, byte[] plainTextData)              throws Exception {          if (publicKey == null) {              throw new Exception("加密公钥为空, 请设置");          }          Cipher cipher = null;          try {              // 使用默认RSA              cipher = Cipher.getInstance("RSA");              // cipher= Cipher.getInstance("RSA", new BouncyCastleProvider());              cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);              byte[] output = cipher.doFinal(plainTextData);              return output;          } catch (NoSuchAlgorithmException e) {              throw new Exception("无此加密算法");          } catch (NoSuchPaddingException e) {              e.printStackTrace();              return null;          } catch (InvalidKeyException e) {              throw new Exception("加密公钥非法,请检查");          } catch (IllegalBlockSizeException e) {              throw new Exception("明文长度非法");          } catch (BadPaddingException e) {              throw new Exception("明文数据已损坏");          }      }        /**      * 私钥加密过程      *       * @param privateKey      *            私钥      * @param plainTextData      *            明文数据      * @return      * @throws Exception      *             加密过程中的异常信息      */      public static byte[] encrypt(RSAPrivateKey privateKey, byte[] plainTextData)              throws Exception {          if (privateKey == null) {              throw new Exception("加密私钥为空, 请设置");          }          Cipher cipher = null;          try {              // 使用默认RSA              cipher = Cipher.getInstance("RSA");              cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);              byte[] output = cipher.doFinal(plainTextData);              return output;          } catch (NoSuchAlgorithmException e) {              throw new Exception("无此加密算法");          } catch (NoSuchPaddingException e) {              e.printStackTrace();              return null;          } catch (InvalidKeyException e) {              throw new Exception("加密私钥非法,请检查");          } catch (IllegalBlockSizeException e) {              throw new Exception("明文长度非法");          } catch (BadPaddingException e) {              throw new Exception("明文数据已损坏");          }      }        /**      * 私钥解密过程      *       * @param privateKey      *            私钥      * @param cipherData      *            密文数据      * @return 明文      * @throws Exception      *             解密过程中的异常信息      */      public static byte[] decrypt(RSAPrivateKey privateKey, byte[] cipherData)              throws Exception {          if (privateKey == null) {              throw new Exception("解密私钥为空, 请设置");          }          Cipher cipher = null;          try {              // 使用默认RSA              cipher = Cipher.getInstance("RSA");              // cipher= Cipher.getInstance("RSA", new BouncyCastleProvider());              cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);              byte[] output = cipher.doFinal(cipherData);              return output;          } catch (NoSuchAlgorithmException e) {              throw new Exception("无此解密算法");          } catch (NoSuchPaddingException e) {              e.printStackTrace();              return null;          } catch (InvalidKeyException e) {              throw new Exception("解密私钥非法,请检查");          } catch (IllegalBlockSizeException e) {              throw new Exception("密文长度非法");          } catch (BadPaddingException e) {              throw new Exception("密文数据已损坏");          }      }        /**      * 公钥解密过程      *       * @param publicKey      *            公钥      * @param cipherData      *            密文数据      * @return 明文      * @throws Exception      *             解密过程中的异常信息      */      public static byte[] decrypt(RSAPublicKey publicKey, byte[] cipherData)              throws Exception {          if (publicKey == null) {              throw new Exception("解密公钥为空, 请设置");          }          Cipher cipher = null;          try {              // 使用默认RSA              cipher = Cipher.getInstance("RSA");              // cipher= Cipher.getInstance("RSA", new BouncyCastleProvider());              cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);              byte[] output = cipher.doFinal(cipherData);              return output;          } catch (NoSuchAlgorithmException e) {              throw new Exception("无此解密算法");          } catch (NoSuchPaddingException e) {              e.printStackTrace();              return null;          } catch (InvalidKeyException e) {              throw new Exception("解密公钥非法,请检查");          } catch (IllegalBlockSizeException e) {              throw new Exception("密文长度非法");          } catch (BadPaddingException e) {              throw new Exception("密文数据已损坏");          }      }        /**      * 字节数据转十六进制字符串      *       * @param data      *            输入数据      * @return 十六进制内容      */      public static String byteArrayToString(byte[] data) {          StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();          for (int i = 0; i < data.length; i++) {              // 取出字节的高四位 作为索引得到相应的十六进制标识符 注意无符号右移              stringBuilder.append(HEX_CHAR[(data[i] & 0xf0) >>> 4]);              // 取出字节的低四位 作为索引得到相应的十六进制标识符              stringBuilder.append(HEX_CHAR[(data[i] & 0x0f)]);              if (i < data.length - 1) {                  stringBuilder.append(' ');              }          }          return stringBuilder.toString();      }  }  

测试类

import com.sun.org.apache.xml.internal.security.utils.Base64; public class Main {public static void main(String[] args) throws Exception{String filepath="F:/";//RSAEncrypt.genKeyPair(filepath);String plainText="公钥加密私钥解密";//公钥加密过程          byte[] cipherData=RSAEncrypt.encrypt(RSAEncrypt.loadPublicKeyByStr(RSAEncrypt.loadPublicKeyByFile(filepath)),plainText.getBytes());          String cipher=Base64.encode(cipherData);          //私钥解密过程          byte[] res=RSAEncrypt.decrypt(RSAEncrypt.loadPrivateKeyByStr(RSAEncrypt.loadPrivateKeyByFile(filepath)), Base64.decode(cipher));          String restr=new String(res);          System.out.println("原文："+plainText);          System.out.println("加密："+cipher);          System.out.println("解密："+restr);          System.out.println();  }    }

密钥分配
和其他加密过程一样，对RSA来说分配公钥的过程是非常重要的。分配公钥的过程必须能够抵挡中间人攻击。假设Eve交给Bob一个公钥，并使Bob相信这是Alice的公钥，并且它可以接下Alice和Bob之间的信息传递，那么它可以将它自己的公钥传给Bob，Bob以为这是Alice的公钥。Eve可以将所有Bob传递给Alice的消息截下来，将这个消息用它自己的密钥解密，读这个消息，然后将这个消息用Alice的公钥加密后传给Alice。理论上Alice和Bob都不会发现Eve在偷听他们的消息。一般用可靠的第三方机构签发证书来防止这样的攻击。
TLS/SSL协议的基本思路是采用公钥加密法，也就是说，客户端先向服务器端索要公钥，然后用公钥加密信息。服务器收到密文后，用自己的私钥解密。

SSL/TLS协议的基本过程：
（1）客户端向服务器索要并验证公钥。
（2）双方协商生成“对话密钥”。
（3）双方采用“对话密钥”进行加密通信。
保证公钥不被篡改：将公钥放在数字证书中。只要证书是可信的，公钥就是可信的。
减少耗用时间：每一次对话（Session）,客户端和服务器都生成一个“对话密钥（Session Key）”，用它来加密信息。由于“对话密钥”是对称加密，所以运算速度非常快，而服务器公钥只用于加密“对话密钥”本身，这样就减少了加密运算的消耗时间。
1.客户端发出请求（ClientHello）
首先，客户端向服务器发出加密同音的请求，在这一步客户端主要向服务器提供一下信息。
（1）支持的协议版本
（2）一个客户端生成的随机数，稍后用于生成“对话密钥”
（3）支持的加密方法
（4）支持的压缩算饭
2.服务器回应（ServerHello）
服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应。服务器的回应：
（1）确认使用的加密通信协议版本
（2）一个服务器生成的随机数，稍后用于生成“对话密钥”
（3）确认使用的加密方法
（4）服务器证书
3.客户端回应
客户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。
如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送下面三项信息。
（1）一个随机数。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听。
（2）编码改变通知，表示随后的信息都将从双方商定的加密方法和密钥发送
（3）客户端握手通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来提供服务器校验。
上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，又称“pre-master key”。有了它以后，客户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双方就用事先商定的加密方法，各自生成本次会话所用的用一把“会话密钥”。
三个随机数：不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的，因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。
对于RSA密钥交换算法来说，pre-master-key本身就是一个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥。
pre-master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么pre-master-secret就有可能被猜出来，那么仅适用pre master secret作为密钥就不合适了，因此必须引入新的随机元素，那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了，一个伪随机可能完全不随机，可是三个伪随机就十分接近随机了，每增加一个自由度，随机性增加的可不是一。
4.服务器的最后回应
服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的“会话密钥”。然后，向客户端最后发送下面信息。
（1）编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
（2）服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来提供客户端校验。