RSA公私钥格式分析及其在Java和Openssl之间的转换方法
文章目录
- PKCS#1和PKCS#8
- X.509公钥证书
- ASN.1抽象语法标记
- DER和PEM编码
- OID对象标识符
- 用openssl命令生成PKCS1#格式的RSA密钥对
- 生成私钥
- 从私钥中导出公钥
- PKCS#1格式的RSA公钥
- PKCS#1格式的RSA私钥
- PKCS#8格式的RSA私钥(未加密)
- PKCS#8格式的RSA公钥 与 X.509中RSA公钥
- Java中的RSA公私钥
- RSAPublicKey 方法接口
- RSAPrivateKey 方法接口
- RSA公私钥的底层实现类
- Java与Openssl的RSA公私钥的转换
- Java中Key的getEncoded()与密钥重构
- Java与Openssl的RSA公私钥的转换
- 待续
本文主要描述了RSA私钥的PKCS#1与PKCS#8编码，RSA公钥的PKCS#1与X.509编码，以及RSA公私钥在Openssl和Java之间的转换。
PKCS#1和PKCS#8
PKCS（The Public-Key Cryptography Standards）是一系列公钥密码学的相关标准，其中 《PKCS#1: RSA Cryptography Standard》 是RSA密码学标准的基础部分，而 《PKCS#8: Private-Key Information Syntax Standard》 是私钥信息语法格式。
在PKCS#1中，详细地定义了RSA公钥和私钥的语法格式，通常将符合这种语法的公私钥称为PKCS#1格式的公私钥。
在PKCS#8中，描述了一种私钥信息的语法，同时还提供一种加密密钥的语法。比如RSA私钥证书中的加密私钥就是用此描述的。相应地，符合此标准的私钥也称为PKCS#8格式的私钥。
通常，在java中的RSA私钥是使用PKCS#8格式，在Openssl中是PKCS#1格式。
X.509公钥证书
X.509是一系列的证书标准。在这里提及是因为Java中的RSA公钥的编码就是符合X.509证书公钥的。通常，Openssl中的公钥采用PKCS#1编码，而Java中则通常是X.509编码。
ASN.1抽象语法标记
ASN.1描述了一种对数据进行表示、编码、传输和解码的数据格式。 一般都采用ASN.1来定义一个通用的、抽象的数据结构。PKCS系列标准中也是如此，在PKCS#1标准的附录A可以看到RSA公私钥的ASN.1的详细描述；在PKCS#8中可以看到私钥（加密私钥）信息语法的ASN.1的详细描述。
ASN.1中常见的数据类型定义如下：
| 类型码 | ASN.1类型 | 作用 |
|---|---|---|
| 1 | 布尔型 | 储存布尔值 |
| 2 | 整数 | 储存大整数 |
| 3 | 位串 | 存储位数组 |
| 4 | 八位位串 | 存储字节数组 |
| 5 | 空 | 预留位 |
| 6 | 对象标识符 | 标识算法及协议 |
DER和PEM编码
证书和密钥的常见编码有DER和PEM两种。
- DER(Distinguished Encoding Rules)可辨别编码规则是BER的一个子集。而BER基本编码规则，是指在 ASN.1 标准中描述的数据编码/解码规则。
- PEM编码就是把DER编码的数据用Base64进行编码，再加上开始和结束行，如证书文件的"-----BEGIN CERTIFICATE-----“和”-----END CERTIFICATE-----"。
DER编码的数据是用二进制表示的，直接查看只能看到一些乱码。而PEM是Base64编码的，所以可以直接查看。
OID对象标识符
在证书和密钥等结构的ASN.1描述中， 通常需要用OID来标识一个对象。比如标识一个私钥是RSA私钥或标识一个哈希算法是SHA1算法等待。在ASN.1中定义了这种数据类型，它的标识代码是06。
用openssl命令生成PKCS1#格式的RSA密钥对
在分析之前，我们先来看看用Openssl命令怎么来生成RSA密钥。
生成私钥
openssl genrsa -out prikey.pem 1024
上面这条命令可以生成一个PKCS#1格式的，PEM编码的，1024位的RSA私钥。用NotePad++打开查看：
从私钥中导出公钥
openssl rsa –in prikey.pem –RSAPublicKey_out –out pubkey.pkcs1.pem
这条命令可以从RSA私钥中PKCS#1格式的、PEM编码的RSA公钥。用NotePad++打开查看：
PKCS#1格式的RSA公钥
PKCS#1格式的RSA公钥的ASN.1描述如下：
RSAPublicKey ::= SEQUENCE {
modulus INTEGER, -- n
publicExponent INTEGER -- e
}
其中：
- modulus： 是RSA模数，是一个正整数
- publicExponent： 是RSA公钥幂指数，是一个正整数
我们用Asn1View来查看一下前面生成的pubkey.pkcs1.pem这个RSA公钥：
可以看到，它是符合PKCS标准的。其中包括了n和e这两个RSA公钥元素。其中e为65537，即0x10001，这是一个最常用的公钥幂指数。
RSA算法中的公钥指数目前在用的有两个，其一名为F0，等于3；其二名为F4，等于65537。
PKCS#1格式的RSA私钥
PKCS#1格式的RSA私钥的ASN.1描述如下：
RSAPrivateKey ::= SEQUENCE {
version Version,
modulus INTEGER, -- n
publicExponent INTEGER, -- e
privateExponent INTEGER, -- d
prime1 INTEGER, -- p
prime2 INTEGER, -- q
exponent1 INTEGER, -- d mod (p-1)
exponent2 INTEGER, -- d mod (q-1)
coefficient INTEGER, -- (inverse of q) mod p
otherPrimeInfos OtherPrimeInfos OPTIONAL
}
其中各字段含义如下：
- version：版本号，为了与本文档的今后版本兼容。V2中这个版本号应该是0，但如果使用了多素数，则版本号应该是1。
Version ::= INTEGER { two-prime(0), multi(1) }
(CONSTRAINED BY {-- version must be multi if otherPrimeInfos present --})
- modulus：RSA的模数n
- publicExponent：RSA的公钥幂指数e
- privateExponent：RSA的私钥幂指数d
- prime1：n的素因子p
- prime2：n的素因子q
- exponent1：=d mod (p-1)
- exponent2：=d mod (q-1)
- coefficient：=q-1 mod p，代表CRT(中国剩余定理)系数，
- otherPrimeInfos：按顺序包含了其他的素数“r3,……ru”。如果version是0，则它被忽略；如果version是1，那么它至少应该包含一个OtherPrimeInfo实例。OtherPrimeInfo的定义如下：
OtherPrimeInfos ::= SEQUENCE SIZE(1..MAX) OF OtherPrimeInfo
OtherPrimeInfo的ASN.1结构如下：
OtherPrimeInfo ::= SEQUENCE {
prime INTEGER, -- ri
exponent INTEGER, -- di
coefficient INTEGER -- ti
}
OtherPrimeInfo中各字段含义如下：
- prime：n的素因子ri，where i >= 3
- exponent：di = d mod (ri - 1)
- coefficient：ti = (r1 · r2 · … · ri–1)-1 mod ri
我们用Asn1View来查看一下前面生成的prikey.pem这个RSA私钥：
从上面的PKCS#1的RSA私钥结构中我们可以知道，RSA公钥被包含于其中，所以在前面我们才可以用Openssl命令从RSA私钥中导出公钥。
PKCS#8格式的RSA私钥(未加密)
在PKCS#8标准中给出的私钥信息(未加密)的语法格式如下：
PrivateKeyInfo ::= SEQUENCE {
verion Version
privateKeyAlgorithm PrivateKeyAlgorithmIdentifier
privateKey PrivateKey
attributes [0] IMPLICIT Attributes OPTIONAL
}
Version ::= INTEGER
PrivateKeyAlgorithmIdentifier ::= AlgorithmIdentifier
PrivateKey ::= OCTET STRING
Attributes ::= SET OF Attribute
AlgorithmIdentifier ::= SEQUENCE {
algorithm OBJECT IDENTIFIER,
parameters ANY DEFINED BY algorithm OPTIONAL
}
其中个字段含义为：
- version：版本号，目前为0
- privateKeyAlgorithm：私钥算法标识
- privateKey：私钥字节串，内容为私钥的值
- attributes：属性集。这些属性是连同私钥信息一起被加密的扩展信息
我们使用下面的Openssl命令将前面的PKCS#1编码的RSA私钥转为PKCS#8编码的RSA私钥：
openssl pkcs8 -topk8 -in prikey.pem -out prikey.pkcs8.pem -nocrypt
然后用Asn1View来查看一下：
在这个PKCS#8编码的RSA私钥中，私钥算法OID为1.2.840.113549.1.1.1，其中1.2.840.113549.1.1是PKCS1标准的OID，它下面有很多分支，第一个分支标识RSA私钥。其中的privateKey这个私钥数据就是一个PKCS#1编码的RSA私钥的BER编码。
PKCS#8格式的RSA公钥 与 X.509中RSA公钥
在X.509公钥证书中定义的公钥信息如下：
SubjectPublicKeyInfo ::= SEQUENCE {
algorithm AlgorithmIdentifier,
subjectPublicKey BIT STRING
}
AlgorithmIdentifier ::= SEQUENCE {
algorithm OBJECT IDENTIFIER,
parameters ANY DEFINED BY algorithm OPTIONAL
}
其中：
- algorithm：公钥算法标识
- subjectPublicKey：公钥数据
我们使用下面的Openssl命令将前面的PKCS#1编码的RSA公钥钥转为X509中的RSA公钥：
openssl rsa –in prikey.pem -pubout -out pubkey.x509.pem
然后用Asn1View来查看一下：
在这个X.509的RSA公钥中，公钥算法OID为1.2.840.113549.1.1.1，表示是一个PKCS#1格式的公钥。其中的subjectPublicKey这个公钥数据就是一个PKCS#1编码的RSA公钥的BER编码。
PKCS#8公钥
我们可以从X.509的RSA公钥中看到，它的ASN.1结构描述和PKCS#8中的私钥信息语法基本相同，都是一个算法OID加上密钥数据。所以有时候我们可能也简便地将X.509公钥称为PKCS#8格式的公钥，这样可以将公私钥与PKCS#1和PKCS#8一同提及。但应该明白，PKCS#8标准中并没有定义公钥消息语法，它是定义在X.509公钥证书标准中的。
Java中的RSA公私钥
RSAPublicKey 方法接口
Java中的RSA公钥接口RSAPublicKey的结构图如下：
RSAPrivateKey 方法接口
Java中的RSA私钥接口RSAPrivateKey的结构图如下：
可以从Java中RSA公私钥的接口方法中看到，公私钥只包括了必要的2个元素，即模数和幂指数，因为RSA算法的基本计算模型就是：
输入数据.modPow(幂指数, 模数)
其中输入数据、幂指数和模数都是BigInteger类型。
RSA公私钥的底层实现类
上面的RSAPublicKey和RSAPrivateKey只是方法接口，具体的底层实现类其实是在RSAPublicKeyImpl和RSAPrivateCrtKeyImpl中，它们的类结构图如下：
从RSAPrivateCrtKeyImpl的源码中可以看到，该结构包含了在PKCS#1中定义的RSA私钥的除otherPrimeInfos之外的所有字段；同时继承自PKCS8Key，它实现了RSA公钥的PKCS8编码。
从RSAPublicKeyImpl的源码中也可以看到，该结构包含了在PKCS#1中定义的RSA公钥结构的所有元素；同时继承自X509Key，它实现了RSA公钥的X509编码。
Java与Openssl的RSA公私钥的转换
在Java和Openssl中互用RSA公私钥时，主要涉及到RSA私钥的PKCS#1与PKCS#8的相互转换、RSA公钥的PKCS#1和X509格式之间的转换、DER和PEM编码之间的转换，以及Java中通过RSA密钥字节数组构造RSAPublicKey和RSAPrivateKey结构的方法。
注意：这里涉及到的RSA私钥都是没有加密的。
Java中Key的getEncoded()与密钥重构
这里的字节数组是指从RSAPublicKey和RSAPrivateKey的getEncoded方法获取的数组，这样才可以使用下面的方法将其还原。
public static RSAPrivateKey genPrivateKey(byte[] derPrikeyPkcs8Encoded) throws Exception
{
PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(derPrikeyPkcs8Encoded);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
return (RSAPrivateKey)keyFactory.generatePrivate(keySpec);
}
public static RSAPublicKey genPublicKey(byte[] derPubkeyX509Encoded) throws Exception
{
X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(derPubkeyX509Encoded);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
return (RSAPublicKey)keyFactory.generatePublic(keySpec);
}
Java与Openssl的RSA公私钥的转换
对于Openssl和Java之间的RSA公私钥的转换，这里基于BouncyCastle库提供一种转换的实现方式，代码如下：
package com.yy.rsa;
import org.bouncycastle.asn1.ASN1Object;
import org.bouncycastle.asn1.ASN1Primitive;
import org.bouncycastle.asn1.pkcs.PKCSObjectIdentifiers;
import org.bouncycastle.asn1.pkcs.PrivateKeyInfo;
import org.bouncycastle.asn1.x509.AlgorithmIdentifier;
import org.bouncycastle.asn1.x509.SubjectPublicKeyInfo;
import org.bouncycastle.util.io.pem.PemObject;
import org.bouncycastle.util.io.pem.PemReader;
import org.bouncycastle.util.io.pem.PemWriter;
import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.StringWriter;
import java.security.Key;
/**
* RSA密钥格式转换.
*
* 私钥的PKCS#1和PKCS#8之间的转换.
* 公钥的PKCS#1和X509之间的转换.
*
* PKCS1编码的密钥的PEM格式的前缀带有算法名称;非PKCS1的则没有.
*
* Created by YaoYuan on 2019/4/30.
*/
public class RsaKeyCodec {
public static final String TYPE_PREFIX_PKCS1_PRIVATE_KEY = "RSA PRIVATE KEY";
public static final String TYPE_PREFIX_PKCS1_PUBLIC_KEY = "RSA PUBLIC KEY";
public static final String TYPE_PREFIX_PKCS8_PRIVATE_KEY = "PRIVATE KEY";
public static final String TYPE_PREFIX_X509_PUBLIC_KEY = "PUBLIC KEY";
/**
* DER转PEM
*
* @param typePrefix 密钥类型前缀，如"PRIVATE KEY".
* 参考类型：
* {@link #TYPE_PREFIX_PKCS1_PRIVATE_KEY},
* {@link #TYPE_PREFIX_PKCS1_PUBLIC_KEY},
* {@link #TYPE_PREFIX_PKCS8_PRIVATE_KEY},
* {@link #TYPE_PREFIX_X509_PUBLIC_KEY}
* @param derKeyEncoded 编码后的密钥数据
* @return PKCS8编码的PEM
*/
public static String derToPem(String typePrefix, byte[] derKeyEncoded) throws Exception {
PemObject pemObject = new PemObject(typePrefix, derKeyEncoded);
StringWriter stringWriter = new StringWriter();
PemWriter pemWriter = new PemWriter(stringWriter);
pemWriter.writeObject(pemObject);
pemWriter.close();
return stringWriter.toString();
}
/**
* PEM转DER
*
* @param pemKey PEM的key
* @return DER字节数组
*/
public static byte[] pemToDer(String pemKey) throws IOException {
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new ByteArrayInputStream(pemKey.getBytes()));
PemReader pemReader = new PemReader(isr);
return pemReader.readPemObject().getContent();
}
/**
* PKCS8编码的私钥转为PKCS1，DER格式.
*
* @param derPrikeyPkcs8Encoded 编码后的PKCS8私钥数据，通过java的{@link Key#getEncoded()}获取
* @return PKCS1编码的DER私钥
*/
public static byte[] der_prikey_pkcs8ToPkcs1(byte[] derPrikeyPkcs8Encoded) throws Exception {
PrivateKeyInfo pki = PrivateKeyInfo.getInstance(derPrikeyPkcs8Encoded);
org.bouncycastle.asn1.pkcs.RSAPrivateKey rsaPrivateKey = org.bouncycastle.asn1.pkcs.RSAPrivateKey.getInstance(pki.parsePrivateKey());
return rsaPrivateKey.getEncoded();
}
/**
* X509编码的公钥转为PKCS1，DER格式.
*
* @param derPubkeyX509Encoded 编码后的X509公钥数据，通过java的{@link Key#getEncoded()}获取
* @return PKCS1编码的DER公钥
*/
public static byte[] der_pubkey_x509ToPkcs1(byte[] derPubkeyX509Encoded) throws Exception {
SubjectPublicKeyInfo spki = SubjectPublicKeyInfo.getInstance(derPubkeyX509Encoded);
org.bouncycastle.asn1.pkcs.RSAPublicKey rsaPublicKey = org.bouncycastle.asn1.pkcs.RSAPublicKey.getInstance(spki.parsePublicKey());
return rsaPublicKey.getEncoded();
}
/**
* PKCS1编码的私钥转为PKCS8，DER格式.
*
* @param derPrikeyPkcs1Encoded 编码后的PKCS1私钥数据
* @return PKCS8编码的DER私钥
*/
public static byte[] der_prikey_pkcs1ToPkcs8(byte[] derPrikeyPkcs1Encoded) throws Exception {
AlgorithmIdentifier algorithmIdentifier = new AlgorithmIdentifier(PKCSObjectIdentifiers.pkcs8ShroudedKeyBag);
ASN1Object asn1Object = ASN1Primitive.fromByteArray(derPrikeyPkcs1Encoded);
PrivateKeyInfo privateKeyInfo = new PrivateKeyInfo(algorithmIdentifier, asn1Object);
return privateKeyInfo.getEncoded();
}
/**
* PKCS1编码的公钥转为X509，DER格式.
*
* @param derPubkeyPkcs1Encoded 编码后的PKCS1公钥数据
* @return X509编码的DER公钥
*/
public static byte[] der_pubkey_pkcs1ToX509(byte[] derPubkeyPkcs1Encoded) throws Exception {
AlgorithmIdentifier algorithmIdentifier = new AlgorithmIdentifier(PKCSObjectIdentifiers.pkcs8ShroudedKeyBag);
ASN1Object asn1Object = ASN1Primitive.fromByteArray(derPubkeyPkcs1Encoded);
SubjectPublicKeyInfo spki = new SubjectPublicKeyInfo(algorithmIdentifier, asn1Object);
return spki.getEncoded();
}
}