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Swift - 使用RSA算法进行数据加密，解密以及数字签名

作者：hangge | 2015-10-18 10:13
RSA算法是一种非对称加密算法，要了解RSA算法，首先要知道什么是对称加密算法，什么是非对称加密算法。

1，对称加密算法
密钥只有一个，发收信双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密。
特点：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高特点。但交易双方都使用同样钥匙，安全性得不到保证。
具体算法有：DES算法，3DES算法，AES算法，TDEA算法，Blowfish算法，RC5算法，IDEA算法。

2，非对称加密算法
非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥（publickey）和私有密钥（privatekey）。公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。
特点：由于有两种密钥，其中一个是公开的，这样就消除了最终用户交换密钥的需要，更安全。但由于算法复杂，加密解密速度没有对称加密解密的速度快。
主要算法有：RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）。

3，RSA算法
（1）RSA算法是第一个能同时用于加密和数字签名的算法。
（2）RSA算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。
（3）RSA的算法涉及三个参数，n、e1、e2。
其中，n是两个大质数p、q的积，n的二进制表示时所占用的位数，就是所谓的密钥长度。
e1和e2是一对相关的值，e1可以任意取，但要求e1与(p-1）*(q-1）互质；再选择e2，要求（e2*e1）mod((p-1）*(q-1））=1。
（n，e1）,(n，e2）就是密钥对。其中(n，e1）为公钥，(n，e2）为私钥。
RSA加解密的算法完全相同，设A为明文，B为密文，则：A=B^e2 mod n；B=A^e1 mod n；（公钥加密体制中，一般用公钥加密，私钥解密）
e1和e2可以互换使用，即：
A=B^e1 mod n；B=A^e2 mod n;
（4）由于RSA的安全性依赖于大数分解，为保证安全，目前来说RSA密钥（即n）长度至少要为1024位。
（5）由于RSA算法进行的都是大数计算，使得RSA最快的情况也比DES慢上好几倍。

4，RSA加密内容长度限制的问题
通常1024位key的最多只能加密127位数据，要解决这个问题有两种办法：
（1）自己把数据变成N个117字节的数据段来分别加密，解密也需要自己一个个解密再完成字节拼装
（2）加密的时候：使用对称加密(AES/DES etc)加密数据，然后用RSA公钥加密对称加密的密钥。
解密的时候：用RSA的私钥解密得到对称加密的密钥，然后完成反向操作得到明文。 （推荐这种方式）

5，RSA的使用场合
1，用于加密数据：比如我是公司领导，我希望员工A，B，C给我发消息的时候能够加密。那么我这边可以生成一对密钥，把公钥给ABC。A把消息使用公钥加密后发给我，我收到后使用私钥即可解密。这过程中如果加密消息被BC拦截了，虽然他们有一样的公钥，但是无法解密的。
2，用于数字签名：比如我要给A，B，C发送一段数据，但为了保证这个是我发送的，而不是别人伪造的，那么我可以附上我的数字签名。做法是对数据进行MD5之类的运算以取得数据的"指纹"，再对"指纹"进行加密，加密将使用密钥对中的不公开的私钥。A，B，C收到数据后，用同样的运算获得数据指纹，再用公钥对加密指纹进行解密，比较解密结果与他自己计算出来的指纹是否一致，即可确定数据是否的确是我发送的、以及在传输过程中是否被篡改。

6，好用的RSA封装库 - Heimdall
Heimdall是一个Swift写的RSA封装类，使用它我们可以很方便进行数据加密，解密，数字签名，签名验证等操作。
地址是：GitHub/Heimdall

7，Heimdall的配置
（1）由于Heimdall使用到了CommonCrypto，所以首先要建立桥接头文件bridge.h并把CommonCrypto引入（头文件记得配置）
#import <CommonCrypto/CommonCrypto.h>

（2）把Heimdall.swift添加到项目里，如果有import CommonCrypto，将其去掉 
//import CommonCrypto

8，使用Heimdall进行数据加密，解密
由于RSA对加密数据长度有限制，所以Heimdall实际上是混合了AES和RSA这两种加密方式。
加密时：先生成一个随机的AES密钥，用这个密钥以AES方式加密数据。再用RSA的公钥加密AES密钥。整个加密生成的数据实际上包含两部分：前半部分是用RSA的公钥加密后的AES密钥，后半部分是使用AES加密的原始数据。
解密时：先使用RSA私钥把前面部分的AES密钥给解出来，再用这个AES密钥把后半部分的真实数据给解出来。

（1）服务端这边定义好publicTag和privateTag，这样就可以生成一对密钥。
为便于传输，我们把生成的publicKeyData用Base64编码成publicKeyString（String类型） 
//公钥标签
let publicKeyTag = "com.hangge.public"
//私钥标签
let privateKeyTag = "com.hangge.private"
        
print("****** 服务器端开始生成一对密钥（公钥和私钥）******")
let localHeimdall = Heimdall(publicTag: publicKeyTag, privateTag: privateKeyTag,
    keySize: 1024)
        
var publicKeyString:String = ""
if let heimdall = localHeimdall, publicKeyData = heimdall.publicKeyDataX509() {
    publicKeyString = publicKeyData.base64EncodedStringWithOptions(
        NSDataBase64EncodingOptions(rawValue: 0))
            
    // 把/和+替换成下滑线，中划线是为了URL安全,
    // 接收方那边要记得转回来
    publicKeyString = publicKeyString.stringByReplacingOccurrencesOfString("/",
        withString: "_")
    publicKeyString = publicKeyString.stringByReplacingOccurrencesOfString("+",
        withString: "-")

    print("\n--- publicKeyString是：\n\(publicKeyString)")
}
print("\n--- 把公钥传给客户端（publicKeyTag和publicKeyString）\n\n")
（2）把publicTag和publicKeyString作为公钥分发给客户端，客户端使用公钥加密数据 
print("****** 客户端使用公钥加密数据 ******")
//先把特殊字符转回来
publicKeyString = publicKeyString.stringByReplacingOccurrencesOfString("_",
    withString: "/")
publicKeyString = publicKeyString.stringByReplacingOccurrencesOfString("-",
    withString: "+")
let keyData = NSData(base64EncodedString: publicKeyString ,
    options: NSDataBase64DecodingOptions(rawValue: 0))
        
var encryptedMessage:String = ""
// 创建公钥
if let partnerHeimdall = Heimdall(publicTag: publicKeyTag, publicKeyData: keyData) {
    // 使用公钥加密需要传输的数据
    let message = "我访问过www.hangge.com"
    encryptedMessage = partnerHeimdall.encrypt(message)!
            
    print("\n--- 加密后的数据是是：\n\(encryptedMessage)")
    //print(partnerHeimdall.decrypt(encryptedMessage)) //使用公钥无法解密
}
print("\n--- 把加密后的数据传给服务端\n\n")
（3）服务端收到数据后使用密钥解密数据 
print("****** 服务器端收到加密数据 ******")
if let localHeimdall2 = Heimdall(publicTag: publicKeyTag, privateTag: privateKeyTag,
    keySize: 1024) {
    //开始解密
    if let decryptedMessage = localHeimdall2.decrypt(encryptedMessage) {
        print("\n--- 解密后的数据是是：\n\(decryptedMessage)")
    }
}
（4）整个流程控制台输出如下：


9，使用Heimdall进行数字签名和验证
（1）服务端给消息签名（使用的是私钥）。把消息连同签名发给客户端 
//公钥标签
let publicKeyTag = "com.hangge.public"
//私钥标签
let privateKeyTag = "com.hangge.private"
        
print("****** 服务器端把消息进行签名 ******")
let localHeimdall = Heimdall(publicTag: publicKeyTag, privateTag: privateKeyTag,
    keySize: 1024)
var publicKeyString:String = ""
let message = "欢迎访问www.hangge.com" //消息
var signString:String = ""  //签名
if let heimdall = localHeimdall, publicKeyData = heimdall.publicKeyDataX509() {
    publicKeyString = publicKeyData.base64EncodedStringWithOptions(
        NSDataBase64EncodingOptions(rawValue: 0))
            
    // 把/和+替换成下滑线，中划线是为了URL安全,
    // 接收方那边要记得转回来
    publicKeyString = publicKeyString.stringByReplacingOccurrencesOfString("/",
        withString: "_")
    publicKeyString = publicKeyString.stringByReplacingOccurrencesOfString("+",
        withString: "-")
            
    signString = localHeimdall!.sign(message)!
    print("\n--- 消息是：\n\(message)")
    print("\n--- 签名是：\n\(signString)")
}
print("\n--- 把消息和签名都传给客户端\n\n")
（2）客户端收到后用公钥进行验证，确认是不是服务端发送的 
print("****** 客户端验证消息和签名 ******")
//先把特殊字符转回来
publicKeyString = publicKeyString.stringByReplacingOccurrencesOfString("_",
    withString: "/")
publicKeyString = publicKeyString.stringByReplacingOccurrencesOfString("-",
    withString: "+")
let keyData = NSData(base64EncodedString: publicKeyString ,
    options: NSDataBase64DecodingOptions(rawValue: 0))

// 创建公钥
if let partnerHeimdall = Heimdall(publicTag: publicKeyTag, publicKeyData: keyData) {
    //进行验证
    let result = partnerHeimdall.verify(message, signatureBase64: signString)
    print("\n--- 验证结果是：\n\(result)")
}
（3）整个流程控制台输出如下：

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