当前位置：首页 > backend >正文

非对称加密

backend 2025/6/29 11:53:49

非对称加密（也称为公钥加密）是现代密码学的基石之一，它使用一对密钥（公钥和私钥）来实现安全通信和数字签名。下面从原理、实现和应用场景三个方面详细介绍非对称加密：

一、基本原理

非对称加密的核心是密钥对：

公钥（Public Key）：公开给任何人使用，用于加密消息或验证签名。
私钥（Private Key）：严格保密，仅由所有者持有，用于解密消息或生成签名。

特性：

加密-解密：用公钥加密的消息只能用对应的私钥解密。
签名-验证：用私钥生成的签名只能用对应的公钥验证。

二、常见算法

RSA：基于大数分解难题，支持加密和签名，应用广泛。
ECC（椭圆曲线加密）：同等安全级别下密钥更短，计算效率更高，适合移动设备。
DSA（数字签名算法）：专门用于数字签名，不支持加密。
ElGamal：基于离散对数难题，支持加密和签名。

三、实现示例（Java）

以 RSA 算法为例，展示非对称加密的基本实现：

1. 生成密钥对

import javax.crypto.Cipher;
import java.security.*;
import java.util.Base64;public class AsymmetricEncryption {// 生成 RSA 密钥对public static KeyPair generateKeyPair(int keySize) throws NoSuchAlgorithmException {KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");keyPairGen.initialize(keySize); // 常用密钥长度：2048、4096return keyPairGen.generateKeyPair();}
}

2. 加密与解密

// 使用公钥加密
public static String encrypt(String plainText, PublicKey publicKey) throws Exception {Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
}// 使用私钥解密
public static String decrypt(String encryptedText, PrivateKey privateKey) throws Exception {Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedText));return new String(decryptedBytes);
}

3. 数字签名与验证

// 生成签名
public static String sign(String data, PrivateKey privateKey) throws Exception {Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA");signature.initSign(privateKey);signature.update(data.getBytes());byte[] signBytes = signature.sign();return Base64.getEncoder().encodeToString(signBytes);
}// 验证签名
public static boolean verify(String data, String signatureStr, PublicKey publicKey) throws Exception {Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA");signature.initVerify(publicKey);signature.update(data.getBytes());byte[] signatureBytes = Base64.getDecoder().decode(signatureStr);return signature.verify(signatureBytes);
}

4. 使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception {// 生成密钥对KeyPair keyPair = generateKeyPair(2048);PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();// 加密与解密String message = "Hello, asymmetric encryption!";String encrypted = encrypt(message, publicKey);String decrypted = decrypt(encrypted, privateKey);System.out.println("原始消息: " + message);System.out.println("加密后: " + encrypted);System.out.println("解密后: " + decrypted);// 签名与验证String data = "Data to sign";String signature = sign(data, privateKey);boolean isValid = verify(data, signature, publicKey);System.out.println("签名验证结果: " + isValid);
}

四、关键注意事项

密钥管理：
- 私钥必须严格保密，建议存储在安全的密钥库（如 Android Keystore）中。
- 公钥可以公开分发，但需要通过可信渠道获取（如 TLS 中的证书）。
性能限制：
- 非对称加密比对称加密（如 AES）慢得多，通常只用于少量数据（如对称密钥交换）。
- RSA 加密的明文长度有限制（通常小于密钥长度/8 - 11 字节），超出需要分段处理。
填充方式：
- 加密时需指定填充方式（如 RSA/ECB/PKCS1Padding），否则可能导致安全漏洞。
混合加密：
- 实际应用中，通常用非对称加密交换对称密钥，再用对称加密传输大量数据（如 TLS 协议）。

五、应用场景

安全通信：如 HTTPS、SSH 中的密钥交换。
数字签名：确保数据完整性和身份验证（如代码签名、区块链）。
身份验证：基于公钥基础设施（PKI）的证书系统。
密钥交换：安全地协商对称加密密钥（如 Diffie-Hellman 算法）。

六、Android 中的实现

在 Android 中使用非对称加密时，建议结合 AndroidKeyStore 保护私钥：

// 示例：在 Android 中生成并存储 RSA 密钥对
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KeyProperties.KEY_ALGORITHM_RSA, "AndroidKeyStore");keyPairGenerator.initialize(new KeyGenParameterSpec.Builder("myKeyAlias",KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT | KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT).setBlockModes(KeyProperties.BLOCK_MODE_ECB).setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_RSA_PKCS1).build());KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();