SpringBoot3 登录注册基础篇（二） - RSA 非对称加密实战

第一章. 为什么选择 RS256

在开始生成密钥之前，我们需要先回答一个核心问题：JWT 的签名算法应该选择 HS256 还是 RS256？

1.1. HS256 的架构困境

HS256 是对称加密签名和验证使用同一个密钥算法。它的工作流程是：

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签名：Token + 密钥 → 签名
验证：Token + 密钥 → 验证签名是否匹配

假设我们的系统有 20 个微服务，每个服务都需要验证 Token。那么这 20 个服务都必须持有同一个密钥。这带来两个风险：

风险一：攻击面扩大

密钥存在于 20 个不同的配置文件、环境变量、容器镜像中。任何一个环节泄漏，整个系统就沦陷了。

风险二：密钥轮换困难

当我们需要更换密钥时（如定期安全审计、员工离职），必须同时更新 20 个服务的配置并重启。在生产环境中，这几乎不可能做到原子性切换。

1.2. RS256 的架构优势

RS256 是非对称加密使用私钥签名，公钥验证算法。它的工作流程是：

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签名：Token + 私钥 → 签名
验证：Token + 公钥 → 验证签名是否匹配

在这种架构下：

• 认证服务 持有私钥，负责签发 Token。私钥是整个系统中唯一的敏感数据，只需要保护一个点。
• 网关和业务服务 持有公钥，负责验证 Token。公钥可以公开分发，即使泄漏也不会影响安全性（攻击者无法用公钥伪造签名）。

这种设计的核心价值在于 职责分离：只有认证服务才有 “印钞权”，其他服务只能 “验钞” 而不能 “造钞”。

1.3. 架构对比

在微服务架构下，我们选择 RS256，用稍微的性能损失换取更高的安全性和更灵活的架构。

第二章. 使用 OpenSSL 生成 RSA 密钥对

2.1. 密钥格式要求

Java 的 KeyFactory 对密钥格式有严格要求：

• 私钥必须是 PKCS#8 格式
• 公钥必须是 X.509 格式

如果格式不对，会抛出 InvalidKeySpecException 异常。

2.2. 生成 PKCS#8 格式的私钥

打开终端（Windows 用户可以使用 Git Bash），输入以下命令：

注意，openssl 通常在 git 窗口上才可以执行，请使用 git bash 执行此命令

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openssl genpkey -algorithm RSA -out private_key.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

命令解释：

• openssl genpkey：使用 OpenSSL 生成密钥（新版命令，自动生成 PKCS#8 格式）
• -algorithm RSA：指定算法为 RSA
• -out private_key.pem：输出文件名
• -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048：密钥长度为 2048 位

执行后，你会看到类似这样的输出：

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.....+++
.....+++

并且在当前目录下会生成一个 private_key.pem 文件。

用文本编辑器打开 private_key.pem，你应该看到：

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-----BEGIN PRIVATE KEY-----
MIIEvQIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCBKcwggSjAgEAAoIBAQC...
-----END PRIVATE KEY-----

2.3. 从私钥中提取公钥

继续在终端中输入：

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openssl rsa -pubout -in private_key.pem -out public_key.pem

命令解释：

• openssl rsa：使用 OpenSSL 处理 RSA 密钥
• -pubout：输出公钥
• -in private_key.pem：指定输入文件（刚才生成的私钥）
• -out public_key.pem：输出文件名

执行后，你会看到：

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writing RSA key

用文本编辑器打开 public_key.pem，你应该看到：

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-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIIBIjANBgkqhkiG9w0BAQEFAAOCAQ8AMIIBCgKCAQEAtkR...
-----END PUBLIC KEY-----

2.4. 将密钥放入项目

在 auth-web 模块中，找到 src/main/resources 目录，创建 certs 文件夹：

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auth-web/src/main/resources/
└── certs/
    ├── private_key.pem
    └── public_key.pem

将刚才生成的两个文件复制到这个目录下。

第三章. 封装 RsaKeyManager 工具类

3.1. 为什么需要转换

Java 的 PrivateKey 和 PublicKey 对象需要的是二进制格式。我们需要一个工具类来完成以下工作：

1. 读取 resources 目录下的密钥文件
2. 去除 PEM 格式的头尾标记（-----BEGIN...-----）
3. 将 Base64 编码的字符串解码为字节数组
4. 使用 Java 的 KeyFactory 将字节数组转换为密钥对象

3.2. RsaKeyManager 核心代码

📄 文件路径：auth-core/src/main/java/com/example/auth/core/util/crypto/RsaKeyManager.java

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package com.example.auth.core.util.crypto;


import org.springframework.core.io.ClassPathResource;
import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.util.FileCopyUtils;

import java.io.InputStreamReader;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;

@Component
public class RsaKeyManager {

	// 从 resources 目录读取文件
	public String readResourceFile(String resourcePath) throws Exception {
		ClassPathResource resource = new ClassPathResource(resourcePath);
		try (InputStreamReader reader = new InputStreamReader(
				resource.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8)) {
			return FileCopyUtils.copyToString(reader);
		}
	}

	// 加载私钥
	public PrivateKey loadPrivateKey(String privateKeyPem) throws Exception {
		// 清理 PEM 格式的头尾标记
		String content = privateKeyPem
				.replace("-----BEGIN PRIVATE KEY-----", "")
				.replace("-----END PRIVATE KEY-----", "")
				.replace("-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----", "")
				.replace("-----END RSA PRIVATE KEY-----", "")
				.replaceAll("\\s", "");

		// Base64 解码
		byte[] keyBytes = Base64.getDecoder().decode(content);

		// 使用 PKCS8 规范解析私钥
		PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
		KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
		return keyFactory.generatePrivate(keySpec);
	}

	// 加载公钥
	public PublicKey loadPublicKey(String publicKeyPem) throws Exception {
		String content = publicKeyPem
				.replace("-----BEGIN PUBLIC KEY-----", "")
				.replace("-----END PUBLIC KEY-----", "")
				.replaceAll("\\s", "");

		byte[] keyBytes = Base64.getDecoder().decode(content);

		// 使用 X509 规范解析公钥
		X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
		KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
		return keyFactory.generatePublic(keySpec);
	}
}

3.3. 关键知识点

为什么要去除 PEM 格式的头尾标记？

PEM 格式是一种文本格式，用于存储密钥和证书。它的结构是：

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-----BEGIN [类型]-----
[Base64编码的密钥数据]
-----END [类型]-----

Java 的 KeyFactory 只能识别纯粹的 Base64 编码数据，不能识别这些标记，所以必须先去除。

PKCS8 和 X509 是什么？

• PKCS8：私钥的存储格式标准（Public Key Cryptography Standards #8）
• X509：公钥证书的标准格式

这两个标准定义了密钥在二进制层面的存储结构。

为什么用 ClassPathResource 而不是 File？

当项目打包成 jar 包后，resources 目录下的文件会被打包到 jar 包内部。此时：

• ❌ new File("certs/public_key.pem") 会失败
• ✅ new ClassPathResource("certs/public_key.pem") 可以正确读取

第四章. 本章小结

我们完成了 RSA 密钥对的生成与加载。

核心成果：

方法速查：

架构对比：