0014 一种加减密通信方案

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Jul 1, 2023

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本文介绍了业界常用的RSA非对称加减密、3 DES对称加减密、加签验签方法。

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概述

本文介绍了业界常用的RSA非对称加减密、3 DES对称加减密、加签验签方法。

业界典型的加密通信方式

在业界比较常见的做法是：对报文进行对称加密，对称加密的密钥，用对方的RSA公钥加密。为了报文的完整性，还需要对报文进行加签。

其中，RSA公私钥对的生成，是在企业内部自主完成。企业自主生成的RSA公钥，需要发送给报文接收方。公钥用来加密报文，私钥用来解密报文。比如企业A将公钥发给企业B，企业A保管自己的私钥，企业B用公钥对报文加密，发送给企业A，企业A用私钥进行解密。如果企业B向企业A发送消息，那么企业A向企业B提供公钥，因此我们总结为：

△ 非对称加密如RSA，生成时会有一把公钥，一把私钥，私钥自己保存，公钥发给对方 △ 公钥用于加密，私钥用于解密 △ A要发消息给B，需要B的公钥；B要发消息给A，需要A的公钥

实践案例

本案例中，我们使用到的算法：

对称加密密钥算法：3 DES，用于对报文加密，其优点是安全性高，速度快

非对称加密算法：RSA/ECB/PKCS1Padding，用于对密钥加密

签名算法：SHA256withRSA，加签用自己的私钥，验签用对方公钥

具体流程如图：

在两个企业已经互发了RSA公钥的前提下，消息发送方（企业A）加密流程为：

企业A实时生成对称加密密钥K，加密算法为3 DES

用企业B的公钥对K进行加密，得到加密后的解密密钥encrypted_key

用K对明文C进行加密，得到encrypted_data

用企业A的私钥对报文进行签名（加签），签名算法为SHA256withRSA，得到签名串sign

打包报文[encrypted_key， encrypted_data，sign]，发送给接收方企业B

消息接受方（企业B）解密流程为：

用企业B的RSA私钥对encrypted_key进行解密，得到解密密钥K

用解密密钥K对encrypted_data解密，得到明文的C

用企业A的公钥对报文进行签名串sign验签，验签算法为SHA256withRSA

算法选型解惑

RSA为什么不用来加密报文体，而是用来加密解密密钥？

密钥长度：RSA的安全性取决于密钥的长度。较长的密钥长度提供更高的安全性，但也导致更慢的性能。常用的RSA密钥长度为2048位或4096位。

加密速度：RSA的加密速度比对称加密算法（如AES）慢得多。这是因为RSA算法涉及大数的运算，包括模幂运算和大素数计算，这些运算需要较长的时间。因此，对大量数据进行RSA加密可能会显著降低性能。

加密限制：RSA加密的数据长度有限制。加密的数据块不能超过密钥长度，且通常要小于密钥长度减去一些填充的字节数。对于较长的数据，通常使用对称加密算法加密数据本身，然后使用RSA加密对称密钥。

基于以上原因，我们不用RSA算法来直接加密报文体本身。

为什么用3 DES来加密报文体？

兼容性：3DES是DES算法的增强版本，它使用相同的加密算法结构，只是增加了迭代次数。这意味着3DES可以与使用DES加密的旧系统兼容，同时提供更高的安全性。

安全性：DES算法的密钥长度较短（56位），已被认为不够安全。3DES通过使用三个不同的密钥对数据进行三次加密，有效地扩展了密钥长度，提供更高的安全性。它提供的密钥空间更大（168位），使得暴力破解变得非常困难。

抗击穷举攻击：3DES的安全性基于DES算法的困难性。对于穷举攻击（exhaustive search attack），即尝试所有可能的密钥进行解密的攻击，3DES提供了更大的密钥空间，使得攻击者需要更多的时间和计算资源来尝试所有可能的密钥。

广泛应用：由于3DES的兼容性和安全性，它被广泛应用于各种领域，如金融机构、电子支付、通信和网络安全等。许多安全标准和协议（如TLS、IPsec）也使用3DES作为加密算法之一。

最佳实践（Java）

生成企业A和企业B自己的RSA公私钥对(Base 64编码)

生成方法：

通过以上方法，我们得到企业A和企业B的公私钥信息。

企业A公钥：

企业A私钥：

企业B公钥：

企业B的私钥：

企业A加密过程

在上面RSA公私钥对的基础上，我们来模拟企业A加密的流程，假设我们要发给企业B的原报文内容为：

Hello, World!

注：本文所有加减密信息输出均为Base64编码。

企业A生成 3 DES的加密串：

3 DES密钥串：

对报文加密：

加密后的字符串 encrypted_data：

对3 DES密钥串使用企业B的公钥加密：

得到 encrypted_key：

用SHA246withRSA对明文报文加签：

得到签名串 sign ：

因此我们得到企业A最终要发送的报文：

企业B解密过程

企业B接收到报文后，首先用企业B的私钥对encrypted_key进行解密：

解密后的DES Key：

用DES key对encrypted_data解密：

解密后的报文:

OK，现在我们还有最后一步：验签，即我要确认解密后的”Hello, World!”是否是企业A发的，且是否被劫持并修改过，验证过程：

输出：

由此，整个过程结束。

总结

1、3 DES对称加密速度快，用来加密报文体

2、RSA适用于对密钥加密

3、企业B向企业A发消息，复用上述流程

4、加签验签过程，更安全的做法应该是加入一些双方约定的规则，比如对加签前的报文做一些变换，如字段排序、编码格式变换、加入特殊字符等方式。

概述