RSA.java

/**
 * @brief RSA鍵暗号のサンプルコード
 * @date  2016/07/03
 * @ref   techtipshoge.blogspot.com/2014/04/javarsa.html
 */


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// パッケージ宣言
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package rsakey;



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//必要なJavaファイルのインポート
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import java.math.BigInteger;
import java.util.Random;
import java.util.Scanner;



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//　クラスの定義
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/**
 * @brief RSA鍵暗号のテストプログラム
 * @note  ASCIIコードに対して暗号化を行います
 */
public class RSA {
	
	/**
	 * @brief ここからはじまります
	 * @param[in] args コマンドライン引数
	 */
	public static void main(String[] args) {
		// メッセージ読み込み
		System.out.println("Input text");
		Scanner sc = new Scanner(System.in);
		String msg = sc.nextLine();
		
		// RSAテスト実行
		RSA instance = new RSA();
		instance.execute(msg);
	}
	
	
	/**
	 * @brief RSAのテストプログラムを実行します
	 * @param[in] msg 暗号化するメッセージ
	 */
	private void execute(String msg) {
		// RSA暗号鍵の生成
		BigInteger[] keys = generate(KEY_BIT);
		
		// 正確には公開鍵:P = pair(public, common)であり、秘密鍵:S = pair(secret, common)と表される
		System.out.println("common : " + keys[COMMON_INDEX].toString(RADIX));
		System.out.println("public : " + keys[PUBLIC_INDEX].toString(RADIX));
		System.out.println("screte : " + keys[SECRET_INDEX].toString(RADIX));
		
		// テキストの暗号化
		String encrypted = encrypt(msg, keys[PUBLIC_INDEX], keys[COMMON_INDEX]);
		System.out.println("cipher : " + encrypted);
		
		// テキストの復号化
		String decrypted = decrypt(encrypted, keys[SECRET_INDEX], keys[COMMON_INDEX]);
		System.out.println("plain  : " + decrypted);
	}
	
	/**
	 * @brief RSAの鍵を生成します。
	 * @param bitlen 共通鍵nの最大ビット長
	 * @return 鍵の配列
	 */
	private BigInteger[] generate(int bitlen) {
		
		BigInteger[] keys = new BigInteger[KEYS_NUM];
		Random rnd = new Random();
		
		for (;;) {
			BigInteger p = BigInteger.probablePrime(bitlen >> 1, rnd);   // 確率的素数pを取得
			BigInteger q = BigInteger.probablePrime(bitlen >> 1, rnd);   // 確率的素数qを取得
			
			if (p.equals(q)) { continue; }  // p = qならばやりなおし
			
			// n = pqとしたときのΦ(n)を計算(ただし、ΦはオイラーのΦ関数でΦ(n) = (p - 1)(q - 1))
			BigInteger phi = p.subtract(BigInteger.ONE).multiply(q.subtract(BigInteger.ONE));
			
			BigInteger e = BigInteger.probablePrime(bitlen,  rnd);      // Φ(n)と互いに素な奇数eを選ぶ
			if (!e.gcd(phi).equals(BigInteger.ONE)) { continue; }       // gcd(e, Φ(n)) = 1でなければやりなおし
			
			keys[COMMON_INDEX] = p.multiply(q);      // n = pqとする
			keys[PUBLIC_INDEX] = e;                  // eを公開鍵として扱う
			keys[SECRET_INDEX] = e.modInverse(phi);  // 法Φ(n)の下でのeの逆元dを秘密鍵として扱う
			break;
		}
		
		return keys;
	}
	
	/**
	 * @brief メッセージの暗号化を行う
	 * @note  RSA公開鍵暗号系において、メッセージMに対し署名を行うことに当たる
	 * @param msg 元の文章
	 * @param e 公開鍵
	 * @param n 公開鍵
	 * @return 暗号化された文
	 */
	private String encrypt(String msg, BigInteger e, BigInteger n) {
		BigInteger a = encode(msg);             // メッセージをBigIntegerへ変換
		return a.modPow(e, n).toString(RADIX);  // 公開鍵演算 P(M) = M^e mod n
	}
	
	/**
	 * @brief 暗号文に対して復号を行う
	 * @note  RSA公開鍵暗号系において、署名の検証、確認に当たる
	 * @param ciphertext 暗号文
	 * @param d 秘密鍵
	 * @param n 秘密鍵
	 * @return 復号された文
	 */
	private String decrypt(String ciphertext, BigInteger d, BigInteger n) {
		BigInteger a = new BigInteger(ciphertext, RADIX);  // 暗号文をBigIntegerへ変換
		return decode(a.modPow(d, n));                     // 秘密鍵演算 S(C) = C^d mod n
	}
	
	/**
	 * @brief ASCII文字列をBigIntegerに変換する
	 * @param msg  変換対象のASCII文字列
	 * @return 変換されたBigInteger
	 */
	private BigInteger encode(String msg) {
		BigInteger code = BigInteger.ZERO;
		
		for (int i = 0; i < msg.length(); i++) {
			code = code.multiply(BigInteger.valueOf(CHAR_NUM_MAX));
			code = code.add(BigInteger.valueOf(msg.charAt(i)));
		}
		return code;
	}
	
	/**
	 * @brief 256進数のBigIntegerをASCII文字列に変換する
	 * @param code 変換対象のBigInteger
	 * @return 変換されたASCII文字列
	 */
	private String decode(BigInteger code) {
		StringBuilder sb = new StringBuilder();
		
		while (code.compareTo(BigInteger.ZERO) > 0) {
			int rem = code.mod(BigInteger.valueOf(CHAR_NUM_MAX)).shortValue();
			sb.append((char)rem);
			code = code.divide(BigInteger.valueOf(CHAR_NUM_MAX));
		}
		return sb.reverse().toString();
	}
	
	
	private final int COMMON_INDEX = 0;     /**< 鍵の要素nの添字 */
	private final int PUBLIC_INDEX = 1;     /**< 鍵の要素eの添字 */
	private final int SECRET_INDEX = 2;     /**< 鍵の要素dの添字 */
	private final int KEYS_NUM     = 3;     /**< 鍵の数      */ 
	private final int RADIX        = 16;    /**< 16進数で表記します */
	private final int KEY_BIT      = 1024;  /**< 鍵のビット長 */
	private final int CHAR_NUM_MAX = 256;   /**< ASCII文字の最大数 */
}