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java RSA加密/解密（附带源码）_java rsa加密解密工具类

网友: 技术文档 2025-07-30 12:22:18

目录

  1. 项目背景与动机

  2. 加密技术概述

    1. 对称加密 vs 非对称加密

    2. RSA 算法的历史与应用

  3. RSA 算法数学原理

    1. 大素数与整数分解难题

    2. 欧拉函数与模反元素

    3. 公钥、私钥生成流程

    4. 加密与解密数学公式

  4. Java 环境与依赖

    1. JDK 版本与安全策略

    2. Maven/Gradle 依赖配置

  5. 项目结构设计

    1. 包结构与模块划分

    2. 工具类、核心类与测试类

  6. 核心代码详解

    1. 密钥对生成（KeyPairGenerator）

    2. 公钥私钥对象处理（KeyFactory & KeySpec）

    3. 加解密流程（Cipher）

    4. Base64 编解码工具

    5. 异常与日志处理

    6. 单元测试与集成测试

  7. 进阶话题

    1. 填充模式（OAEP vs PKCS#1 v1.5）

    2. 分段加密与大数据处理

    3. 数字签名与验签

    4. 混合加密（RSA + AES）

  8. 性能优化与安全强化

    1. 密钥长度与性能权衡

    2. 硬件加速与安全模块（HSM）

    3. 防止旁路攻击与时间攻击

    4. 密钥管理与安全存储

  9. 项目实战：Web 服务中的 RSA 应用

    1. 基于 Spring Boot 的加密 REST 接口

    2. 前端 JavaScript 与后端 RSA 交互

  10. CI/CD 集成与自动化测试

  11. 项目总结与展望

  12. 参考资料与延伸阅读

1. 项目背景与动机

在当今网络安全威胁不断升级的背景下，保障数据私密性和完整性已成为各行业的核心需求。传统的对称加密算法在密钥分发和管理上存在瓶颈，而非对称加密因其“公钥可公开、私钥保密”的特性，成为安全传输、数字签名等场景的首选。RSA 算法作为最经典的非对称加密方案之一，被广泛应用于 SSL/TLS 握手、电子邮件加密、软件授权保护等。

本项目旨在使用 Java 原生 API（JCA/JCE）从零实现 RSA 加密/解密的完整流程，并配以详尽注释与解释，帮助开发者理解底层原理、掌握实战技巧，为后续在生产环境中构建安全模块打好基础。通过本项目，你将收获：

  • 非对称加密的数学基础与实现原理

  • Java 中密钥生成、转换、加解密的完整代码示例

  • 常见填充模式、分段加密、数字签名的进阶应用

  • 安全性能权衡、硬件加速、密钥管理的最佳实践

2. 加密技术概述

2.1 对称加密 vs 非对称加密

  • 对称加密

    • 使用同一密钥进行加密和解密

    • 速度快、适合大数据量加解密

    • 最大痛点：密钥分发与管理

    • 典型算法：AES、DES、3DES

  • 非对称加密

    • 使用一对密钥：公钥（公开）与私钥（保密）

    • 加密速度较慢，但可解决密钥分发问题

    • 典型算法：RSA、DSA、ECC

对称加密和非对称加密常常结合使用，在实际系统中采用“混合加密”：使用非对称算法安全地交换对称密钥，再用对称算法处理大数据，以兼顾安全与性能。

2.2 RSA 算法的历史与应用

  • 提出者：Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman

  • 年份：1977 年

  • 核心原理：基于大整数分解的计算难题，安全性依赖于当前无高效拆分大合数的算法

  • 应用场景：

    • SSL/TLS 握手：交换对称会话密钥

    • 数字证书：X.509、PKCS#12

    • 电子邮件加密：S/MIME、PGP

    • 数字签名：代码签名、文档签名

3. RSA 算法数学原理

3.1 大素数与整数分解难题

RSA 的安全基础在于：给定大合数 N=p×q，很难在可接受时间内找到其两个大素因数 p 和 q。本项目为了演示，使用 1024 位或 2048 位素数，但在工业级系统中建议 3072 位及以上。

3.2 欧拉函数与模反元素

  • 欧拉函数 φ(n)：对于 n=p×q，φ(n)=(p−1)(q−1)

  • 模反元素 d：满足 e×d≡1 (mod φ(n))，可用扩展欧几里得算法求解

3.3 公钥、私钥生成流程

  1. 随机选取两个大素数 p、q

  2. 计算 N=p×q

  3. 计算 φ(n)=(p−1)(q−1)

  4. 选定公钥指数 e，满足 1<e<φ(n)，且 gcd(e,φ(n))=1

  5. 计算私钥指数 d，使得 e×d≡1 mod φ(n)

  6. 生成公钥 (e, N)，私钥 (d, N)

3.4 加密与解密数学公式

  • 加密：C = M^e mod N

  • 解密：M = C^d mod N

其中 M 必须小于 N，实际系统中对大于 N 的数据进行分段加密或借助填充模式处理。

4. Java 环境与依赖

4.1 JDK 版本与安全策略

  • 推荐使用 JDK 11+，已内置最新的 JCA/JCE 安全策略

  • 如需使用超过 128 位密钥，请安装并配置 Java Cryptography Extension (JCE) Unlimited Strength Jurisdiction Policy

4.2 Maven/Gradle 依赖配置

本项目依赖于 Java 标准库，若需额外日志或测试框架，可在 pom.xml 中添加：

   org.slf4j slf4j-api 1.7.36   ch.qos.logback logback-classic 1.2.11    org.junit.jupiter junit-jupiter 5.9.0 test

Gradle 示例：

dependencies { implementation \'org.slf4j:slf4j-api:1.7.36\' implementation \'ch.qos.logback:logback-classic:1.2.11\' testImplementation \'org.junit.jupiter:junit-jupiter:5.9.0\'}

5. 项目结构设计

5.1 包结构与模块划分

src/main/java └─ com.example.rsa ├─ encryption // 加解密核心类 │ ├─ RSAKeyUtil.java │ ├─ RSAEncryptor.java │ └─ RSADecryptor.java ├─ utils  // 工具类 │ └─ Base64Util.java └─ App.java  // 演示入口src/test/java └─ com.example.rsa └─ RSAEncryptorTest.java

5.2 工具类、核心类与测试类

  • RSAKeyUtil：密钥生成与读写

  • RSAEncryptor：公钥加密方法封装

  • RSADecryptor：私钥解密方法封装

  • Base64Util：统一 Base64 编解码接口

  • App：示例演示和命令行测试

  • 单元测试：覆盖正向与错误场景

6. 核心代码详解

以下完整代码已整合至单个文件中，带有详细注释。

package com.example.rsa;import javax.crypto.Cipher;import java.security.*;import java.security.spec.*;import java.util.Base64;/** * 整合版 RSA 工具类，包含密钥生成、公钥加密、私钥解密功能。 */public class RSAUtil { // 默认密钥长度（1024、2048、3072） private static final int KEY_SIZE = 2048; private static final String ALGORITHM = \"RSA\"; private static final String TRANSFORMATION = \"RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding\"; /** * 生成 RSA 密钥对 * * @return KeyPair 对象，包含公钥和私钥 * @throws NoSuchAlgorithmException */ public static KeyPair generateKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException { KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM); keyGen.initialize(KEY_SIZE); return keyGen.generateKeyPair(); } /** * 将公钥转换为 Base64 字符串 * * @param publicKey 公钥对象 * @return Base64 编码后的公钥 */ public static String publicKeyToBase64(PublicKey publicKey) { byte[] encoded = publicKey.getEncoded(); return Base64.getEncoder().encodeToString(encoded); } /** * 将私钥转换为 Base64 字符串 * * @param privateKey 私钥对象 * @return Base64 编码后的私钥 */ public static String privateKeyToBase64(PrivateKey privateKey) { byte[] encoded = privateKey.getEncoded(); return Base64.getEncoder().encodeToString(encoded); } /** * 从 Base64 公钥字符串恢复 PublicKey 对象 * * @param base64PublicKey Base64 编码的公钥 * @return PublicKey 对象 * @throws GeneralSecurityException */ public static PublicKey base64ToPublicKey(String base64PublicKey) throws GeneralSecurityException { byte[] decoded = Base64.getDecoder().decode(base64PublicKey); X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(decoded); KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM); return keyFactory.generatePublic(keySpec); } /** * 从 Base64 私钥字符串恢复 PrivateKey 对象 * * @param base64PrivateKey Base64 编码的私钥 * @return PrivateKey 对象 * @throws GeneralSecurityException */ public static PrivateKey base64ToPrivateKey(String base64PrivateKey) throws GeneralSecurityException { byte[] decoded = Base64.getDecoder().decode(base64PrivateKey); PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(decoded); KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM); return keyFactory.generatePrivate(keySpec); } /** * 使用公钥加密数据 * * @param plainText 明文字符串 * @param publicKey 公钥对象 * @return Base64 编码的密文 * @throws GeneralSecurityException */ public static String encrypt(String plainText, PublicKey publicKey) throws GeneralSecurityException { Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION); cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey); byte[] encrypted = cipher.doFinal(plainText.getBytes()); return Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted); } /** * 使用私钥解密数据 * * @param cipherText Base64 编码的密文 * @param privateKey 私钥对象 * @return 解密后的明文字符串 * @throws GeneralSecurityException */ public static String decrypt(String cipherText, PrivateKey privateKey) throws GeneralSecurityException { Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey); byte[] decoded = Base64.getDecoder().decode(cipherText); byte[] decrypted = cipher.doFinal(decoded); return new String(decrypted); } /** * 示例主方法，演示全流程 */ public static void main(String[] args) { try { // 1. 生成密钥对 KeyPair keyPair = generateKeyPair(); String pubKeyStr = publicKeyToBase64(keyPair.getPublic()); String priKeyStr = privateKeyToBase64(keyPair.getPrivate()); System.out.println(\"公钥（Base64）：\"); System.out.println(pubKeyStr); System.out.println(\"\\n私钥（Base64）：\"); System.out.println(priKeyStr); // 2. 加密 String message = \"RSA 加密测试数据\"; String cipherText = encrypt(message, keyPair.getPublic()); System.out.println(\"\\n原文：\" + message); System.out.println(\"密文（Base64）：\" + cipherText); // 3. 解密 String decrypted = decrypt(cipherText, keyPair.getPrivate()); System.out.println(\"\\n解密后：\" + decrypted); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }}

7. 进阶话题

7.1 填充模式（OAEP vs PKCS#1 v1.5）

  • PKCS#1 v1.5

    • 兼容性好，但存在已知填充攻击

  • OAEP（Optimal Asymmetric Encryption Padding）

    • 基于随机填充，更安全

    • 在 JDK 中可通过 RSA/ECB/OAEPWithSHA-256AndMGF1Padding 指定

7.2 分段加密与大数据处理

由于 RSA 最大加密数据长度受到密钥长度与填充开销限制，超过此长度需分段：

  1. 将数据按块大小（keySize/8 - 填充开销）切分

  2. 对每个块分别加密，最后合并 Base64 字符串

7.3 数字签名与验签

  • 签名：使用私钥对消息摘要（如 SHA-256）签名

  • 验签：使用公钥验证签名是否匹配原消息

  • Java 示例：

Signature sig = Signature.getInstance(\"SHA256withRSA\");sig.initSign(privateKey);sig.update(dataBytes);byte[] signature = sig.sign();

 

7.4 混合加密（RSA + AES）

混合加密是工业实践的标准模式：

  1. 生成一次性对称密钥（AES）

  2. 使用 AES 加密大数据

  3. 使用 RSA 公钥加密 AES 密钥

  4. 接收方用私钥解密出 AES 密钥，再解密大数据

8. 性能优化与安全强化

8.1 密钥长度与性能权衡

  • 1024 位：性能好但安全性边缘

  • 2048 位：推荐生产环境

  • 3072–4096 位：最高安全级别，但性能开销大

8.2 硬件加速与安全模块（HSM）

  • 利用硬件安全模块加速大整数运算

  • 提供密钥隔离存储，防止私钥泄露

8.3 防止旁路攻击与时间攻击

  • 常量时间运算：避免分支泄露比特信息

  • 掩码技术：对运算输入进行随机掩码处理

8.4 密钥管理与安全存储

  • 不应将私钥硬编码在源代码中

  • 可使用 Java KeyStore 或外部密码管理系统（如 HashiCorp Vault）

9. 项目实战：Web 服务中的 RSA 应用

9.1 基于 Spring Boot 的加密 REST 接口

  1. 创建 Spring Boot 项目，加入上述 RSAUtil

  2. 定义 /encrypt、/decrypt 两个控制器

  3. 请求中传输 Base64 编码的数据

示例 Controller：

@RestController@RequestMapping(\"/api/rsa\")public class RSAController { private final PublicKey publicKey = ...; // 从配置或文件加载 private final PrivateKey privateKey = ...; @PostMapping(\"/encrypt\") public String encrypt(@RequestBody String plainText) throws Exception { return RSAUtil.encrypt(plainText, publicKey); } @PostMapping(\"/decrypt\") public String decrypt(@RequestBody String cipherText) throws Exception { return RSAUtil.decrypt(cipherText, privateKey); }}

 

9.2 前端 JavaScript 与后端 RSA 交互

  • 使用 jsencrypt 库在浏览器端进行公钥加密

  • 将后端返回的公钥注入前端，完成端到端加密流程

10. CI/CD 集成与自动化测试

  • 单元测试：覆盖密钥生成、加解密正向与异常场景

  • 集成测试：启动 Spring Boot 应用，测试 /encrypt 与 /decrypt 接口

  • 安全扫描：接入 Snyk、OWASP Dependency-Check，保证依赖无已知漏洞

11. 项目总结与展望

本文从理论、实现、优化到实战完整覆盖了 Java 版 RSA 加密/解密项目，可帮助读者：

  • 掌握 RSA 算法及 Java 实战技巧

  • 理解填充模式、分段加密、混合加密等进阶概念

  • 学会在 Web 服务中安全集成 RSA 模块

未来可继续拓展：

  • ECC（椭圆曲线加密）实现

  • 多方安全计算与门限签名

  • 区块链交易签名与验证

12. 参考资料与延伸阅读

  • 《Java 加密与解密实战》

  • 《Applied Cryptography》 by Bruce Schneier

  • Oracle 官方文档：Java Cryptography Architecture (JCA)

  • RFC 8017：PKCS #1 v2.2

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