【RSA】RSA加密、解密、签名与验证

前言

最近要做iOS SDK的联网授权，涉及到数据安全验证，因此想到使用RSA进行签名和验证。授权主要流程如下：

1、客户方前往我方开放平台注册授权，得到AppId和AppSecret。
2、客户方集成SDK，调用Register接口传入AppId和AppSecret。
3、SDK将AppId和客户端平台相关信息提交给服务器后台。
4、服务器下发最新服务器时间戳、sign、公钥、授权相关数据给客户端。
5、客户端使用公钥进行签名验证。
6、签名验证通过计算授权时间是否有效。

简单介绍就是服务器端生成秘钥对，使用私钥对客户端和开放平台提交的参数进行签名，然后下发签名和公钥(经过处理的字符串)到客户端，客户端验签通过后进行授权验证。

OpenSSL

使用RSA需要调用一个很重要的库OpenSSL,可以使用Cocoapods在项目中快速集成:

我一般会安装如下版本：

pod 'OpenSSL-Universal', '~> 1.0.2.20'

使用前先导入相关头文件:

#include <openssl/rsa.h>
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/evp.h>
#include <openssl/err.h>
#include <openssl/bio.h>

公钥与私钥

1、PEM公钥和私钥文件生成

为了验证接口的正确性，我们需要先本地生成秘钥对进行本地代码测试：

1.1、在桌面创建文件夹 `RSA Key` ，终端`CD`到此文件夹。

myz@myz mediapipe % cd /Users/myz/Desktop/RSA\ Key

1.2、终端生成1024位私钥

openssl genrsa -out rsa_private_key.pem 1024

myz@myz RSA Key % openssl genrsa -out rsa_private_key.pem 1024
Generating RSA private key, 1024 bit long modulus
........++++++
.................................++++++
e is 65537 (0x10001)
myz@myz RSA Key %

1.3、使用`RSA`私钥生成公钥

openssl rsa -in rsa_private_key.pem -out rsa_public_key.pem -pubout

2、通用`RSA`秘钥格式

将pem文件改为txt后缀打开可以看到秘钥文本

2.1、公钥

2.2、私钥

3、公钥与私钥的读取

RSA加密的public key格式有多种，常见的有两种：一种密钥头为-----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----,一种开头为-----BEGIN PUBLIC KEY-----，二者分别对应RSA的PKCS#1和PKCS#8格式。使用OpenSSL库加载RSA的公钥时，使用的函数也不同。以字符串公钥为例，对PKCS#1格式的密钥加载使用PEM_read_bio_RSAPublicKey()函数，对PKCS#8格式公钥的加载使用PEM_read_bio_RSA_PUBKEY()函数。private key读取通常使用 PEM_read_bio_RSAPrivateKey 函数。

3.1 加载秘钥数据到`BIO`

将秘钥数据转换为 BIO 对象有一下两种方式：

通过BIO_new_mem_buf函数读取

 // 从字符串读取NSString *keyString = @"";const char *buffer = [keyString UTF8String];bio = BIO_new_mem_buf(buffer, (int)strlen(buffer));// 从字节读取NSData *keyData = data;bio = BIO_new_mem_buf((const void*)[keyData bytes], (int)keyData.length);

通过BIO_puts生成

 // 从字节读取NSData *keyData = data;BIO *bio = BIO_new(BIO_s_mem());BIO_puts(bio, (void*)[keyData bytes]);

3.2 从`BIO`对象读取公钥或者私钥

RSA *SLRSAReadKeyFromBIO(BIO *bio, NSString *key, BOOL isPublicKey) { if (bio == NULL) return NULL;if (!isPublicKey) {// 读取私钥 RSA *rsa = PEM_read_bio_RSAPrivateKey(bio, NULL, NULL, NULL);       BIO_free_all(bio); return rsa; } NSString *pkcs1_header = @"-----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----";//    NSString *pkcs8_header = @"-----BEGIN PUBLIC KEY-----";RSA *rsa = NULL;if (key && [key containsString:pkcs1_header]) {rsa = PEM_read_bio_RSAPublicKey(bio, &rsa, NULL, NULL);}else {rsa = PEM_read_bio_RSA_PUBKEY(bio, NULL, NULL, NULL);}BIO_free_all(bio);return rsa;
}

3.3 秘钥读取接口

RSA *SLRSAReadKey(id key, BOOL isPublicKey) {if (!key) {return NULL;}BIO *bio = NULL;NSString *key = nil;if ([keyObject isKindOfClass:[NSData class]]) {NSData *keyData = (NSData*)keyObject;bio = BIO_new_mem_buf((const void*)[keyData bytes], (int)keyData.length);}else if ([keyObject isKindOfClass:[NSString class]]) {key = (NSString*)keyObject;const char *buffer = [key UTF8String];bio = BIO_new_mem_buf(buffer, (int)strlen(buffer));}if (bio == NULL) {NSLog(@"--bio new mem buf failed--");return NULL;}return SLRSAReadKeyFromBIO(bio, key, isPublicKey);
}

4、服务器公钥的组装

通常服务器返回的公钥格式为去掉header和end格式的base64字符串：

MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQDjQRu0fImY/AVasfAneO4G8sID P3L9XDX+nZq8GBw4vlDzoWIqXGx8ETRMMRx+fdEz3Skdrlsp1+6NcYNSp0Id4b1x mRw4A5zokwN/C6vcVpLZM86Kc/q+Pi9kWkDRUm32jUmI2qWtqyXIOGZMUIfoSVe/ 9czeJ66JFX4zwlZEfwIDAQAB

需要对这些字符串处理后才可以正常读入内存,如果后端有做特殊处理，客户端请做差异化处理：

NSString *SLRSAPEMKeyFromBase64(NSString *base64Key, BOOL isPublicKey) {NSMutableString *result = [NSMutableString string];if (isPublicKey) {[result appendString:@"-----BEGIN PUBLIC KEY-----\n"];}else{[result appendString:@"-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----\n"];}[result appendString:@""""];int count = 0;for (int i = 0; i < [base64Key length]; ++i) {unichar c = [base64Key characterAtIndex:i];if (c == '\n' || c == '\r') {continue;}[result appendFormat:@"%c", c];if (++count == 64) {[result appendString:@"\n"];[result appendString:@""""];count = 0;}}if (isPublicKey) {[result appendString:@"\n-----END PUBLIC KEY-----"];}else{[result appendString:@"\n-----END RSA PRIVATE KEY-----"];}return result;
}

加密与解密

在正确读取秘钥到内存后，我们就可以进行加解密操作了，RSA公钥和私钥都可以用来加密和解密，一般成对使用，如果使用公钥加密，则可用私钥解密，如果使用私钥加密，则可用公钥解密，通常正确的方式应该是使用公钥加密、私钥解密。

RSA加密

输入utf-8字符串加密后得到字节数据需要转为base64用于传输

//
int SLRSAEncrypt(BOOL isPublic, RSA *rsa, NSString *src, NSString **dest, int padding) {if (rsa == NULL || src.length <= 0 || dest == NULL) {if (rsa) RSA_free(rsa);return -1;}int flen = RSA_size(rsa);char *dst = (char*)malloc(flen + 1);bzero(dst, flen);NSData *srcData = [src dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];int ret = -1;if (isPublic) {ret = RSA_public_encrypt((int)srcData.length, (uint8_t*)[srcData bytes], (uint8_t*)dst, rsa, padding);}else {ret = RSA_private_encrypt((int)srcData.length, (uint8_t*)[srcData bytes], (uint8_t*)dst, rsa, padding);}if (ret < 0) {isPublic ? NSLog(@"--rsa public encrypt failed--") : NSLog(@"--ras private encrypt failed--");RSA_free(rsa);free(dst);return ret;}NSData *encryptData = [NSData dataWithBytes:(const void*)dst length:sizeof(char)*flen];*dest = [encryptData base64EncodedStringWithOptions:0];RSA_free(rsa);free(dst);return ret;
}

RSA解密

需要解密的密文一般是Base64格式，需要先base64解码在进行rsa解密，解密字节可以转换为对应的格式字符串用于显示

int SLRSADecrypt(BOOL isPublic, RSA *rsa, NSString *src, NSString **dest, int padding) {if (rsa == NULL || src.length <= 0 || dest == NULL) {if (rsa) RSA_free(rsa);return -1;}int flen = RSA_size(rsa);char *dst = (char*)malloc(flen + 1);bzero(dst, flen);NSData *srcData = [[NSData alloc]initWithBase64EncodedString:src options:0];int ret = -1;if (isPublic) {ret = RSA_public_decrypt((int)srcData.length, (uint8_t*)[srcData bytes], (uint8_t*)dst, rsa, padding);}else {ret = RSA_private_decrypt((int)srcData.length, (uint8_t*)[srcData bytes], (uint8_t*)dst, rsa, padding);}if (ret < 0) {isPublic ? NSLog(@"--rsa public encrypt failed--") : NSLog(@"--ras private encrypt failed--");RSA_free(rsa);free(dst);return ret;}NSData *decryptData = [NSData dataWithBytes:(const void*)dst length:sizeof(char)*flen];*dest = [[NSString alloc]initWithData:decryptData encoding:NSUTF8StringEncoding];RSA_free(rsa);free(dst);return ret;
}

签名与验证

RSA 加密方案和 RSA 签名方案是不同的，通常是私钥负责签名，公钥负责验证。

私钥签名

私钥签名通常放在服务器端，签名后服务器下发sign和公钥给客户端，客户端进行验签

// sha1签名，输出签名后的base64字符串
int SLRSASha1SignWithKey(id key, NSString *src, NSString **sign) {if ( !key || src.length <= 0 || sign == NULL) {return -1;}RSA *rsa = SLRSAReadKey(key, NO);if (rsa == NULL) {NSLog(@"--read rsa private key from bio failed--");return -1;}NSData *srcData = [src dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];unsigned char digest[SHA_DIGEST_LENGTH];SHA1((const unsigned char *) [srcData bytes], (size_t)srcData.length, digest);unsigned char *signValue = (unsigned char *)malloc(256);unsigned int sign_len;int ret = RSA_sign(NID_sha1, digest, SHA_DIGEST_LENGTH, signValue, &sign_len, rsa);if (ret == 1) {NSData* data = [NSData dataWithBytes:signValue length:sign_len];*sign = [data base64EncodedStringWithOptions:0];}free(signValue);RSA_free(rsa);return ret;
}

公钥验证

客户端验证签名通过后可以进行其他操作

// 结果返回1则验证正确
int SLRSASha1VerifyWithPublicKey(id key, NSString *src, NSString *sign) {if ( !key || src.length <= 0 || sign.length <= 0) {return -1;}RSA *rsa = SLRSAReadKey(key, YES);if (rsa == NULL) {NSLog(@"--read rsa public key from bio failed--");return -1;}NSData *srcData = [src dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];unsigned char digest[SHA_DIGEST_LENGTH];SHA1((const unsigned char *) [srcData bytes], (size_t)srcData.length, digest);//SHA_CTX sha_ctx = { 0 };
//unsigned char digest[SHA_DIGEST_LENGTH];
//int rc = 1;
//rc = SHA1_Init(&sha_ctx);
//if (1 != rc) { return NO; }
//
//rc = SHA1_Update(&sha_ctx, [srcData bytes], srcData.length);
//if (1 != rc) { return NO; }
//
//rc = SHA1_Final(digest, &sha_ctx);
//if (1 != rc) { return NO; }// 将base64签名转换为字节NSData *signData = [[NSData alloc]initWithBase64EncodedString:sign options:0];int ret = RSA_verify(NID_sha1, digest, SHA_DIGEST_LENGTH, (const uint8_t*)[signData bytes], (uint32_t)signData.length, rsa);RSA_free(rsa);return ret;
}

小结

RSA非对称加密算法在日常通讯安全中有着广泛的应用，程序员应该掌握并灵活运用来解决日常问题。本章只是对RSA加解密、签名与验证的基本使用做了一下演示，后续会进一步对RSA算法和OpenSSL开源库进行研究并更新文章。