在 Java 使用加密演算法（一）：產生與儲存 RSA 的金鑰（2017-07-19 調整）

正在嘗試要實作公開金鑰的加密演算法，目前搜尋了一些資料，原本有在疑惑應該選用哪個演算法
不過在搜尋到 [4] 以後，就決定還是用 RSA 了。

參考資料
1、JAVA 上加密演算法的實作範例
2、Generate Public and Private Keys
3、Save/Load Private and Public Key to/from a file
4、RSA Versus DSA and EL GAMAL
5、有關如何安全地儲存 key 的討論，可以看看：How to securely store a PrivateKey in code

這裡分成三個部分來討論，首先是要如何在 Java 裡面產生 RSA 的 Public Key 和 Private Key
以及把產生的兩把 Key 都儲存成檔案，再把它從檔案裡讀出來，最後才是真正把資料加密和解密。

生成金鑰

生成金鑰和讀寫金鑰可參考以下的程式碼，基本的程式碼是參考 [3]，只有做小幅度的修改而已。
程式碼分為以下幾個 method：

• main()：程式的主要進入點，除了產生金鑰以外，也會負責呼叫其他 method。
• printKeyPair()：單純為了將產生的金鑰印出。而因為金鑰會是以 byte 形式存在的東西，因此必須透過某些編碼轉成能夠被印出來的字串。這裡是使用 Base64 編碼。
• saveKeyPair()：將金鑰分別輸出到指定路徑底下，並產生 “public.key” 和 “private.key” 兩個檔案。
• loadKeyPair()：從指定路徑中尋找 “public.key” 和 “private.key” 兩個檔案，並將他們載入成 KeyPair 型態到程式中。

以下就分別是各個 method 的原始碼以及相關的說明。

main()

public static void main(String[] args) throws Throwable {
  String path = "D:/encrypt";

  SecureRandom random = new SecureRandom();
  random.setSeed("test".getBytes());

  // Generate the key pair (public key and private key).
  KeyPairGenerator keygen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
  // Specify that the key should be 1024-bit.
  keygen.initialize(1024, random);
  KeyPair generatedKeyPair = keygen.generateKeyPair();

  // Print the key. The key will be encoded by Base64.
  log.trace("Generated key pair:");
  printKeyPair(generatedKeyPair);

  // Store the key as files.
  log.info("Output the key pair to {}", path);
  saveKeyPair(path, generatedKeyPair);

  // Load the keys
  log.info("Loaded Key Pair from {}", path);
  KeyPair loadedKeyPair = loadKeyPair(path, "RSA"); // Load the keys from files

  // Print the loaded key pair to ensure that they are exactly the same.
  log.trace("Loaded key pair:");
  printKeyPair(loadedKeyPair);
}

4~5 行是用指定的字串去產生金鑰，透過這個方法的話，只要指定的字串是同一個，產生的金鑰就會是同一個。
這裡指定的字串是 "test"。
7~11 行是產生金鑰的程式碼，其中第 10 行的 1024 是指要產生的金鑰長度為 1024-bit
長度設得越長，產生金鑰所需要的時間也越長～
我的電腦產生 512 bits 的金鑰一瞬間就出來了，1024-bit 要大概一兩秒
2048-bit 就要稍微等個三秒之類的吧...（秒數是純感覺，沒有做過任何精準的測試）

11 行將 KeyPair 產生出來，也就是同時產生 Private Key 和 Public Key，會被存在同一個物件裡。
然後後面就依序是先把產生的金鑰印出來，接著把金鑰輸出成檔案
（預期輸出位置是 D:\encrypt\public.key 和 D:\encrypt\private.key）
然後再從檔案中把金鑰讀進來，再印出來，可以用眼睛確認跟輸出前是否長得一樣。

printKeyPair()

public static void printKeyPair(KeyPair keyPair) {
  log.trace("  public key: {}",
      Base64.getEncoder().encodeToString(keyPair.getPublic().getEncoded()));
  log.trace("  private key: {}",
      Base64.getEncoder().encodeToString(keyPair.getPrivate().getEncoded()));
}

這裡很單純，就只是利用 Java 原生支援的 Base64 編碼器，把金鑰的內容輸出成文字印出來而已。

saveKeyPair()

public static void saveKeyPair(String path, KeyPair keyPair) throws IOException {
  PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
  PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();

  // Store Public Key.
  File fileForPublicKey = Paths.get(path, "public.key").toFile();
  log.trace("Public key will be output to '{}'.", fileForPublicKey);
  
  X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey.getEncoded());
  try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream(fileForPublicKey)) {
    fos.write(x509EncodedKeySpec.getEncoded());
  }

  // Store Private Key.
  File fileForPrivateKey = Paths.get(path, "private.key").toFile();
  log.trace("Private key will be output to '{}'.", fileForPrivateKey);
  
  PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey.getEncoded());
  try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream(fileForPrivateKey)) {
    fos.write(pkcs8EncodedKeySpec.getEncoded());
  }
}

5 ~ 7 行是產生路徑，實際執行起來，這裡產生的路徑會是 D:\encrypt\public.key。
9 ~ 12 行是把 Public Key 的內容輸出到檔案 D:\encrypt\public.key。

同樣地，接著 15 ~ 16 行也是產生路徑，實際執行時這個路徑會是 D:\encrypt\private.key。
18 ~ 21 行則是把 Private Key 的內容輸出到檔案 D:\encrypt\private.key。

loadKeyPair()

// Load the keys from files.
public static KeyPair loadKeyPair(String path, String algorithm)
    throws IOException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {

  // Initiate the factory with specified algorithm.
  KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(algorithm);
  
  // Read public key from file.
  File fileForPublicKey = Paths.get(path, "public.key").toFile();
  log.trace("Public key will be loaded from '{}'.", fileForPublicKey);
  
  PublicKey publicKey = null;
  try (FileInputStream fis = new FileInputStream(fileForPublicKey)) {
    byte[] loadedBytes = new byte[(int) fileForPublicKey.length()];
    fis.read(loadedBytes);
    
    X509EncodedKeySpec spec = new X509EncodedKeySpec(loadedBytes);
    publicKey = keyFactory.generatePublic(spec);
  }
  
  // Read private key from file.
  File fileForPrivateKey = Paths.get(path, "private.key").toFile();
  log.trace("Private key will be loaded from '{}'.", fileForPrivateKey);
  
  PrivateKey privateKey = null;
  try (FileInputStream fis = new FileInputStream(fileForPrivateKey)) {
    byte[] loadedBytes = new byte[(int) fileForPrivateKey.length()];
    fis.read(loadedBytes);
    
    PKCS8EncodedKeySpec privateKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(loadedBytes);
    privateKey = keyFactory.generatePrivate(privateKeySpec);
  }

  return new KeyPair(publicKey, privateKey);
}

這裡程式碼看起來好像比較長，但其實邏輯跟前一段 saveKeyPair() 沒什麼差別
就是組成路徑，然後讀檔案，再把讀入的 bytes 轉成金鑰的物件。因為流程上大同小異，這裡就先忽略細節了 XD

以上述的 method 全部放在同一個 Class 合併起來執行的話，會跑出類似下面這樣的 log 輸出：

2017-07-19 22:58:44,252 | Generated key pair:
2017-07-19 22:58:44,254 |   public key: MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQCvIaeWOTOx0aBWaz+fZNwsbork4e5RW94CbWR9rOtNE2jtKmgC6hPpWz7ANxzGL7jie9D/BpziyuSmhd3aquf4rmftiNdoTp55earfArlBO2D8Z0vaGnEUetDcahn0UD1bCekRC93iLzRNN73dm1T0CynFFrvFVA/CLgS/BvWEZwIDAQAB
2017-07-19 22:58:44,260 |   private key: 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
2017-07-19 22:58:44,260 | Output the key pair to D:/encrypt
2017-07-19 22:58:44,261 | Public key will be output to 'D:\encrypt\public.key'.
2017-07-19 22:58:44,262 | Private key will be output to 'D:\encrypt\private.key'.
2017-07-19 22:58:44,263 | Loaded Key Pair from D:/encrypt
2017-07-19 22:58:44,263 | Public key will be loaded from 'D:\encrypt\public.key'.
2017-07-19 22:58:44,264 | Private key will be loaded from 'D:\encrypt\private.key'.
2017-07-19 22:58:44,264 | Loaded key pair:
2017-07-19 22:58:44,264 |   public key: MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQCvIaeWOTOx0aBWaz+fZNwsbork4e5RW94CbWR9rOtNE2jtKmgC6hPpWz7ANxzGL7jie9D/BpziyuSmhd3aquf4rmftiNdoTp55earfArlBO2D8Z0vaGnEUetDcahn0UD1bCekRC93iLzRNN73dm1T0CynFFrvFVA/CLgS/BvWEZwIDAQAB
2017-07-19 22:58:44,264 |   private key: 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

透過 RSA 加密與解密

請參考下篇文章：在 Java 使用加密演算法（二）：使用 RSA 加密與解密

附錄：對稱金鑰加密（symmetric-key algorithm）

原本弄錯了以為 AES 也是屬於公開金鑰加密，不過後來查到的程式碼覺得怪怪的
於是仔細查了一下 AES，發現它應該是對稱金鑰加密的演算法才對～（參閱下面參考資料中的連結 6）
也就是發送端與接收端共用同一個 secret key。

AES 破解的資訊可參考：New Attack on AES
微軟在 2011 年 8 月發現可以加快破解 AES 的方法，例如以 AES-128 來說，可以將複雜度降低到 2^126.1
不過其實 2^126.1 還是很多 XD，也就是目前來說 AES 還是安全性可接受的加密方法～。

參考資料：
6、AES encryption, what are public and private keys?
7、Using AES with Java Technology
8、【java】AES加密解密|及Base64的使用
9、Java AES Encrypt & Decrypt Example(加解密)
10、JAVA AES 加密步骤解释