加密算法RSA与ECC对比，以及Android、java中使用

一、加密算法前言

根据密钥类型不同将现代密码技术分为两类：对称加密算法和非对称加密算法。对称钥匙加密系统是加密和解密均采用同一把秘密钥匙，而且通信双方都必须获得这把钥匙，并保持钥匙的秘密。

非对称密钥加密系统采用的加密钥匙（公钥）和解密钥匙（私钥）是不同的。

常见的非对称加密算法如下：

RSA：由 RSA 公司发明，是一个支持变长密钥的公共密钥算法，需要加密的文件块的长度也是可变的；
ECC（Elliptic Curves Cryptography）：椭圆曲线密码编码学。

二、两种算法对比（没有对比就没有伤害啊）

现在 SSL 证书普遍使用的是 RSA 算法，由于上述的 RSA 算法存在的缺点，使用 ECC 作为其公钥算法的数字证书近几年的发展也不容小觑：2008 年左右 CA 开始储备 ECC 根证书，2012 年左右 CA 开始对外公开销售 ECC 证书，2014 年 ECC 证书在国外被普遍开始使用，2015 年国内开始接受 ECC 证书。

ECC 和 RSA 相比，在许多方面都有对绝对的优势，主要体现在以下方面：

• 抗攻击性强
• CPU 占用少
• 内容使用少
• 网络消耗低
• 加密速度快

来个例子看看它们的“伤害”有多深：

随着安全等级的增加，当前加密法的密钥长度也会成指数增加，而 ECC 密钥长度 却只是成线性增加。例如，128 位安全加密需要 3,072 位 RSA 密钥，却只需要一 个 256 位 ECC 密钥。增加到 256 位安全加密需要一个 15,360 位 RSA 密钥，却只需要一个 512 位 ECC 密钥。ECC 具有如此卓越的按位比率加密的性能，预计其特点将成为安全系统关注的重点。

三、测试和分析

接下来重头来了，着重从性能来测试两种算法的区别，以下多图预警：

3.1 服务器性能指标

测试在两大云主机上执行。本测试案例中使用了两个不同的身份验证算法，我们看到，ECC-256 层次结构优于 RSA-2048 和 RSA-3072

3.2 响应时间与吞吐量指标之比较

下表中的条目和以下章节详细说明了我们为云主机运行的测试：测试「0K GET，0% 的重用」使用超大型 ( XLarge ) 服务器在超大型 ( XLarge ) 服桌面客户端上运行，适用于 Apache 和 IISweb 服务器，会话重用为 0%，意味着每个 SSL 握手都是一个完整的握手而不是简化版握手。同时应注意，0K 文件并不表示空负载，在过程中仍有 HTTP 抬头传输。

 

3.2.1   0K GET，重用为 0%
会话重用为 0%，表明每次握手是完整的握手，涉及所需 CPU 处理，我们已经发现运行 Apache 的云主机出现 CPU 饱和受限，RSA-3072 在 500 次请求 / 秒左右; RSA-2048 在 1300 次左右，而 ECC-256 经证实在达 2800 次前呈现出极强的适应性。重要的一点是，ECC-256 能够适应相当高的事务数量。虽然 Apache 和 IIS 背 后的数据点(如在吞吐量和等待时间中的数据点)是完全不同的，但得出的结论是相同的，而且有利于 ECC-256。注意，ECC-256 与 RSA-3072 同等安全，效率可相差甚远。

3.2.2   200K GET，重用为 0%
在云主机上托管 web 服务器的原因是要减少所需客户端数，以便使服务器能够最大程度地利用 CPU。结果和「0K GET，重用为 0%」趋势相同。

3.2.3  200K GET，重用为 68%
会话重用为 68% 的结果是三分之二的握手被简化。与之前测试相比，平均响应时间下降，同时吞吐量增加，三者间的饱和缺口缩小。如果重用百分比增加并绘制成图，我们便可以看到差距在缩小。

 

3.2.4   1200K GET，重用为 0%
一个有趣的现象是，在 Apache 一例中我们观察到 ECC-256 和 RSA-2048 的网络传输开始饱和，但 RSA-3072 却达到了 CPU 利用极限。而对于 IIS，三者都达到了 CPU 利用极限。

四、ECC 将取代RSA

ECC 的这些特点使它必将取代 RSA，成为通用的公钥加密算法。比如 SET 协议的制定者已把它作为下一代 SET 协议中缺省的公钥密码算法。

ECC 证书兼容性： 

 

五、java中的应用

ECC算法在jdk1.5后加入支持，目前仅仅只能完成密钥的生成与解析。 如果想要获得ECC算法实现，需要调用硬件完成加密/解密（ECC算法相当耗费资源，如果单纯使用CPU进行加密/解密，效率低下），涉及到Java Card领域，PKCS#11。 其实，PKCS#11配置很简单，但缺乏硬件设备，无法尝试！

尽管如此，我照旧提供相应的Java实现代码，以供大家参考。

通过java代码实现如下：

Coder类：

import java.math.BigInteger;
import java.security.Key;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.interfaces.ECPrivateKey;
import java.security.interfaces.ECPublicKey;
import java.security.spec.ECFieldF2m;
import java.security.spec.ECParameterSpec;
import java.security.spec.ECPoint;
import java.security.spec.ECPrivateKeySpec;
import java.security.spec.ECPublicKeySpec;
import java.security.spec.EllipticCurve;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.NullCipher;
import sun.security.ec.ECKeyFactory;
import sun.security.ec.ECPrivateKeyImpl;
import sun.security.ec.ECPublicKeyImpl;
/**
 * ECC安全编码组件
 * 
 * @author Jocerly
 * 
 */
public abstract class ECCCoder extends Coder {
  public static final String ALGORITHM = "EC";
  private static final String PUBLIC_KEY = "ECCPublicKey";
  private static final String PRIVATE_KEY = "ECCPrivateKey";
  /**
   * 解密

   * 用私钥解密
   * 
   * @param data
   * @param key
   * @return
   * @throws Exception
   */
  public static byte[] decrypt(byte[] data, String key) throws Exception {
    // 对密钥解密
    byte[] keyBytes = decryptBASE64(key);
    // 取得私钥
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = ECKeyFactory.INSTANCE;
    ECPrivateKey priKey = (ECPrivateKey) keyFactory
        .generatePrivate(pkcs8KeySpec);
    ECPrivateKeySpec ecPrivateKeySpec = new ECPrivateKeySpec(priKey.getS(),
        priKey.getParams());
    // 对数据解密
    // TODO Chipher不支持EC算法 未能实现
    Cipher cipher = new NullCipher();
    // Cipher.getInstance(ALGORITHM, keyFactory.getProvider());
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, priKey, ecPrivateKeySpec.getParams());
    return cipher.doFinal(data);
  }
  /**
   * 加密

   * 用公钥加密
   * 
   * @param data
   * @param privateKey
   * @return
   * @throws Exception
   */
  public static byte[] encrypt(byte[] data, String privateKey)
      throws Exception {
    // 对公钥解密
    byte[] keyBytes = decryptBASE64(privateKey);
    // 取得公钥
    X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = ECKeyFactory.INSTANCE;
    ECPublicKey pubKey = (ECPublicKey) keyFactory
        .generatePublic(x509KeySpec);
    ECPublicKeySpec ecPublicKeySpec = new ECPublicKeySpec(pubKey.getW(),
        pubKey.getParams());
    // 对数据加密
    // TODO Chipher不支持EC算法 未能实现
    Cipher cipher = new NullCipher();
    // Cipher.getInstance(ALGORITHM, keyFactory.getProvider());
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey, ecPublicKeySpec.getParams());
    return cipher.doFinal(data);
  }
  /**
   * 取得私钥
   * 
   * @param keyMap
   * @return
   * @throws Exception
   */
  public static String getPrivateKey(Map keyMap)
      throws Exception {
    Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
    return encryptBASE64(key.getEncoded());
  }
  /**
   * 取得公钥
   * 
   * @param keyMap
   * @return
   * @throws Exception
   */
  public static String getPublicKey(Map keyMap)
      throws Exception {
    Key key = (Key) keyMap.get(PUBLIC_KEY);
    return encryptBASE64(key.getEncoded());
  }
  /**
   * 初始化密钥
   * 
   * @return
   * @throws Exception
   */
  public static Map initKey() throws Exception {
    BigInteger x1 = new BigInteger(
        "2fe13c0537bbc11acaa07d793de4e6d5e5c94eee8", 16);
    BigInteger x2 = new BigInteger(
        "289070fb05d38ff58321f2e800536d538ccdaa3d9", 16);
    ECPoint g = new ECPoint(x1, x2);
    // the order of generator
    BigInteger n = new BigInteger(
        "5846006549323611672814741753598448348329118574063", 10);
    // the cofactor
    int h = 2;
    int m = 163;
    int[] ks = { 7, 6, 3 };
    ECFieldF2m ecField = new ECFieldF2m(m, ks);
    // y^2+xy=x^3+x^2+1
    BigInteger a = new BigInteger("1", 2);
    BigInteger b = new BigInteger("1", 2);
    EllipticCurve ellipticCurve = new EllipticCurve(ecField, a, b);
    ECParameterSpec ecParameterSpec = new ECParameterSpec(ellipticCurve, g,
        n, h);
    // 公钥
    ECPublicKey publicKey = new ECPublicKeyImpl(g, ecParameterSpec);
    BigInteger s = new BigInteger(
        "1234006549323611672814741753598448348329118574063", 10);
    // 私钥
    ECPrivateKey privateKey = new ECPrivateKeyImpl(s, ecParameterSpec);
    Map keyMap = new HashMap(2);
    keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
    keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
    return keyMap;
  }
}

请注意代码中的TODO内容，再次提醒注意，Chipher不支持EC算法 ，以上代码仅供参考。Chipher、Signature、KeyPairGenerator、KeyAgreement、SecretKey均不支持EC算法。为了确保程序能够正常执行，我们使用了NullCipher类，验证程序。

提供一个测试类：

import static org.junit.Assert.*;
import java.math.BigInteger;
import java.security.spec.ECFieldF2m;
import java.security.spec.ECParameterSpec;
import java.security.spec.ECPoint;
import java.security.spec.ECPrivateKeySpec;
import java.security.spec.ECPublicKeySpec;
import java.security.spec.EllipticCurve;
import java.util.Map;
import org.junit.Test;
/**
 * ECC测试
 * @author Jocerly
 *
 */
public class ECCCoderTest {
  @Test
  public void test() throws Exception {
    String inputStr = "abc";
    byte[] data = inputStr.getBytes();
    Map keyMap = ECCCoder.initKey();
    String publicKey = ECCCoder.getPublicKey(keyMap);
    String privateKey = ECCCoder.getPrivateKey(keyMap);
    JCLoger.debug("公钥: \n" + publicKey);
    JCLoger.debug("私钥： \n" + privateKey);
    byte[] encodedData = ECCCoder.encrypt(data, publicKey);
    byte[] decodedData = ECCCoder.decrypt(encodedData, privateKey);
    String outputStr = new String(decodedData);
    JCLoger.debug("加密前: " + inputStr + "\n\r" + "解密后: " + outputStr);
    assertEquals(inputStr, outputStr);
  }
}