轻松学习RSA加密算法原理

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轻松学习RSA加密算法原理

2024-09-18 11:35:29 217人阅读

以前也接触过RSA加密算法，感觉这个东西太神秘了，是数学家的事，和我无关。但是，看了很多关于RSA加密算法原理的资料之后，我发现其实原理并不是我们想象中那么复杂，弄懂之后发现原来就只是这样而已..

　　学过算法的朋友都知道，计算机中的算法其实就是数学运算。所以，再讲解RSA加密算法之前，有必要了解一下一些必备的数学知识。我们就从数学知识开始讲解。

必备数学知识

　　RSA加密算法中，只用到素数、互质数、指数运算、模运算等几个简单的数学知识。所以，我们也需要了解这几个概念即可。

素数

　　素数又称质数，指在一个大于1的自然数中，除了1和此整数自身外，不能被其他自然数整除的数。这个概念，我们在上初中，甚至小学的时候都学过了，这里就不再过多解释了。

互质数

　　百度百科上的解释是：公因数只有1的两个数，叫做互质数。；维基百科上的解释是：互质，又称互素。若N个整数的最大公因子是1，则称这N个整数互质。

　　常见的互质数判断方法主要有以下几种：

两个不同的质数一定是互质数。例如，2与7、13与19。
一个质数，另一个不为它的倍数，这两个数为互质数。例如，3与10、5与 26。
相邻的两个自然数是互质数。如 15与 16。
相邻的两个奇数是互质数。如 49与 51。
较大数是质数的两个数是互质数。如97与88。
小数是质数，大数不是小数的倍数的两个数是互质数。例如 7和 16。
2和任何奇数是互质数。例如2和87。
1不是质数也不是合数，它和任何一个自然数在一起都是互质数。如1和9908。
辗转相除法。

指数运算

　　指数运算又称乘方计算，计算结果称为幂。n^m指将n自乘m次。把n^m看作乘方的结果，叫做”n的m次幂”或”n的m次方”。其中，n称为“底数”，m称为“指数”。

模运算

　　模运算即求余运算。“模”是“Mod”的音译。和模运算紧密相关的一个概念是“同余”。数学上，当两个整数除以同一个正整数，若得相同余数，则二整数同余。

　　两个整数a，b，若它们除以正整数m所得的余数相等，则称a，b对于模m同余，记作: a ≡ b (mod m)；读作：a同余于b模m，或者，a与b关于模m同余。例如：26 ≡ 14 (mod 12)。

RSA加密算法

RSA加密算法简史

　　RSA是1977年由罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。

公钥与密钥的产生

　　假设Alice想要通过一个不可靠的媒体接收Bob的一条私人讯息。她可以用以下的方式来产生一个公钥和一个私钥：

随意选择两个大的质数p和q，p不等于q，计算N=pq。
根据欧拉函数，求得r = (p-1)(q-1)
选择一个小于 r 的整数 e，求得 e 关于模 r 的模反元素，命名为d。（模反元素存在，当且仅当e与r互质）
将 p 和 q 的记录销毁。

(N,e)是公钥，(N,d)是私钥。Alice将她的公钥(N,e)传给Bob，而将她的私钥(N,d)藏起来。

加密消息

　　假设Bob想给Alice送一个消息m，他知道Alice产生的N和e。他使用起先与Alice约好的格式将m转换为一个小于N的整数n，比如他可以将每一个字转换为这个字的Unicode码，然后将这些数字连在一起组成一个数字。假如他的信息非常长的话，他可以将这个信息分为几段，然后将每一段转换为n。用下面这个公式他可以将n加密为c：

　　n^e ≡ c (mod N)

计算c并不复杂。Bob算出c后就可以将它传递给Alice。

解密消息

Alice得到Bob的消息c后就可以利用她的密钥d来解码。她可以用以下这个公式来将c转换为n：

　　c^d ≡ n (mod N)

得到n后，她可以将原来的信息m重新复原。

解码的原理是：

　　c^d ≡ n ^e·d(mod N)

以及ed ≡ 1 (mod p-1)和ed ≡ 1 (mod q-1)。由费马小定理可证明（因为p和q是质数）

　　n ^e·d ≡ n (mod p) 　　和　n ^e·d ≡ n (mod q)

这说明（因为p和q是不同的质数，所以p和q互质）

　　n ^e·d ≡ n (mod pq)

签名消息

　　RSA也可以用来为一个消息署名。假如甲想给乙传递一个署名的消息的话，那么她可以为她的消息计算一个散列值(Message digest)，然后用她的密钥(private key)加密这个散列值并将这个“署名”加在消息的后面。这个消息只有用她的公钥才能被解密。乙获得这个消息后可以用甲的公钥解密这个散列值，然后将这个数据与他自己为这个消息计算的散列值相比较。假如两者相符的话，那么他就可以知道发信人持有甲的密钥，以及这个消息在传播路径上没有被篡改过。

编程实践

　　下面，开始我们的重点环节：编程实践。在开始编程前，我们通过计算，来确定公钥和密钥。

计算公钥和密钥

假设p = 3、q = 11（p，q都是素数即可。），则N = pq = 33；
r = (p-1)(q-1) = (3-1)(11-1) = 20；
根据模反元素的计算公式，我们可以得出，e·d ≡ 1 (mod 20),即e·d = 20n+1 (n为正整数)；我们假设n=1，则e·d = 21。e、d为正整数，并且e与r互质，则e = 3，d = 7。（两个数交换一下也可以。）

　　到这里，公钥和密钥已经确定。公钥为(N, e) = (33, 3)，密钥为(N, d) = (33, 7)。

编程实现

　　下面我们使用Java来实现一下加密和解密的过程。具体代码如下：

RSA算法实现：

[java] view plaincopy

<span style="font-size:14px;">package security.rsa;
public class RSA {
/**
* 加密、解密算法
* @param key 公钥或密钥
* @param message 数据
* @return
*/
public static long rsa(int baseNum, int key, long message){
if(baseNum < 1 || key < 1){
return 0L;
}
//加密或者解密之后的数据
long rsaMessage = 0L;
//加密核心算法
rsaMessage = Math.round(Math.pow(message, key)) % baseNum;
return rsaMessage;
}
public static void main(String[] args){
//基数
int baseNum = 3 * 11;
//公钥
int keyE = 3;
//密钥
int keyD = 7;
//未加密的数据
long msg = 24L;
//加密后的数据
long encodeMsg = rsa(baseNum, keyE, msg);
//解密后的数据
long decodeMsg = rsa(baseNum, keyD, encodeMsg);
System.out.println("加密前：" + msg);
System.out.println("加密后：" + encodeMsg);
System.out.println("解密后：" + decodeMsg);
}
</span>
}

RSA算法结果：

加密前：24
加密后：30
解密后：24

（看程序最清楚了，对于要加密的数字m, m^e%N=c, c就是加密之后的密文。c^d%N=m, 就能解密得到m）

RSA加密算法的安全性

　　当p和q是一个大素数的时候，从它们的积pq去分解因子p和q，这是一个公认的数学难题。然而，虽然RSA的安全性依赖于大数的因子分解，但并没有从理论上证明破译RSA的难度与大数分解难度等价。

　　1994年彼得·秀尔（Peter Shor）证明一台量子计算机可以在多项式时间内进行因数分解。假如量子计算机有朝一日可以成为一种可行的技术的话，那么秀尔的算法可以淘汰RSA和相关的衍生算法。（即依赖于分解大整数困难性的加密算法）

　　另外，假如N的长度小于或等于256位，那么用一台个人电脑在几个小时内就可以分解它的因子了。1999年，数百台电脑合作分解了一个512位长的N。1997年后开发的系统，用户应使用1024位密钥，证书认证机构应用2048位或以上。

RSA加密算法的缺点

　　虽然RSA加密算法作为目前最优秀的公钥方案之一，在发表三十多年的时间里，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们接受。但是，也不是说RSA没有任何缺点。由于没有从理论上证明破译RSA的难度与大数分解难度的等价性。所以，RSA的重大缺陷是无法从理论上把握它的保密性能如何。在实践上，RSA也有一些缺点：

产生密钥很麻烦，受到素数产生技术的限制，因而难以做到一次一密；
分组长度太大，为保证安全性，n 至少也要 600 bits 以上，使运算代价很高，尤其是速度较慢，。

算法基本思路：

1.公钥与私钥的生成：

(1)随机挑选两个大质数 p 和 q，构造N = p*q；

(2)计算欧拉函数φ(N) = (p-1) * (q-1)；

(3)随机挑选e，使得gcd(e, φ(N)) = 1，即 e 与 φ(N) 互素；

(4)计算d，使得 e*d ≡ 1 (mod φ(N))，即d 是e 的乘法逆元。

此时，公钥为（e, N），私钥为（d, N），公钥公开，私钥自己保管。

2.加密信息：

(1)待加密信息（明文）为 M，M < N；（因为要做模运算，若M大于N，则后面的运算不会成立，因此当信息比N要大时，应该分块加密）

(2)密文C = M^emod N

(3)解密C^d mod N = (M^e)^d mod N = M^d*e mod N ；

要理解为什么能解密？要用到欧拉定理（其实是费马小定理的推广）a^φ(n) ≡ 1 (mod n)，再推广：a^φ(n)*k ≡ 1 (mod n)，得：a^φ(n)*k+1 ≡ a (mod n)

注意到 e*d ≡ 1 mod φ(N)，即：e*d = 1 + k*φ(N)。

因此，M^d*e mod N = M^{1 + k*φ(N)} mod N = M

简单来说，别人用我的公钥加密信息发给我，然后我用私钥解密。

3.数字签名：

(1)密文C = M^d mod N

(2)解密M = C^emod N = (M^d)^e mod N = M^d*e mod N = M ；（原理同上）

简单来说，我用自己的密钥加密签名，别人用我的公钥解密可以看到这是我的签名。注意，这个不具有隐私性，即任何人都可以解密此签名。

算法的安全性：基于大整数N难以分解出p和q，构造φ(N)；或由N直接构造φ(N)同样难。

算法的实现：

1.快速幂取模；http://www.cnblogs.com/7hat/p/3398394.html

2.素性测试；http://www.cnblogs.com/7hat/p/3400831.html

3.扩展欧几里得求乘法逆元和最大公约数；http://www.cnblogs.com/7hat/p/3406494.html

实现代码：

import random

def fastExpMod(b, e, m):
    """
    e = e0*(2^0) + e1*(2^1) + e2*(2^2) + ... + en * (2^n)

    b^e = b^(e0*(2^0) + e1*(2^1) + e2*(2^2) + ... + en * (2^n))
        = b^(e0*(2^0)) * b^(e1*(2^1)) * b^(e2*(2^2)) * ... * b^(en*(2^n)) 

    b^e mod m = ((b^(e0*(2^0)) mod m) * (b^(e1*(2^1)) mod m) * (b^(e2*(2^2)) mod m) * ... * (b^(en*(2^n)) mod m) mod m
    """
    result = 1
    while e != 0:
        if (e&1) == 1:
            # ei = 1, then mul
            result = (result * b) % m
        e >>= 1
        # b, b^2, b^4, b^8, ... , b^(2^n)
        b = (b*b) % m
    return result

def primeTest(n):
    q = n - 1
    k = 0
    #Find k, q, satisfied 2^k * q = n - 1
    while q % 2 == 0:
        k += 1;
        q /= 2
    a = random.randint(2, n-2);
    #If a^q mod n= 1, n maybe is a prime number
    if fastExpMod(a, q, n) == 1:
        return "inconclusive"
    #If there exists j satisfy a ^ ((2 ^ j) * q) mod n == n-1, n maybe is a prime number
    for j in range(0, k):
        if fastExpMod(a, (2**j)*q, n) == n - 1:
            return "inconclusive"
    #a is not a prime number
    return "composite"

def findPrime(halfkeyLength):
    while True:
        #Select a random number n 
        n = random.randint(0, 1<<halfkeyLength)
        if n % 2 != 0:
            found = True
            #If n satisfy primeTest 10 times, then n should be a prime number
            for i in range(0, 10):
                if primeTest(n) == "composite":
                    found = False
                    break
            if found:
                return n

def extendedGCD(a, b):
    #a*xi + b*yi = ri
    if b == 0:
        return (1, 0, a)
    #a*x1 + b*y1 = a
    x1 = 1
    y1 = 0
    #a*x2 + b*y2 = b
    x2 = 0
    y2 = 1
    while b != 0:
        q = a / b
        #ri = r(i-2) % r(i-1)
        r = a % b
        a = b
        b = r
        #xi = x(i-2) - q*x(i-1)
        x = x1 - q*x2
        x1 = x2
        x2 = x
        #yi = y(i-2) - q*y(i-1)
        y = y1 - q*y2
        y1 = y2
        y2 = y
    return(x1, y1, a)

def selectE(fn, halfkeyLength):
    while True:
        #e and fn are relatively prime
        e = random.randint(0, 1<<halfkeyLength)
        (x, y, r) = extendedGCD(e, fn)
        if r == 1:
            return e

def computeD(fn, e):
    (x, y, r) = extendedGCD(fn, e)
    #y maybe < 0, so convert it 
    if y < 0:
        return fn + y
    return y

def keyGeneration(keyLength):
    #generate public key and private key
    p = findPrime(keyLength/2)
    q = findPrime(keyLength/2)
    n = p * q
    fn = (p-1) * (q-1)
    e = selectE(fn, keyLength/2)
    d = computeD(fn, e)
    return (n, e, d)

def encryption(M, e, n):
    #RSA C = M^e mod n
    return fastExpMod(M, e, n)

def decryption(C, d, n):
    #RSA M = C^d mod n
    return fastExpMod(C, d, n)


#Unit Testing
(n, e, d) = keyGeneration(1024)
#AES keyLength = 256
X = random.randint(0, 1<<256)
C = encryption(X, e, n)
M = decryption(C, d, n)
print "PlainText:", X
print "Encryption of plainText:", C
print "Decryption of cipherText:", M
print "The algorithm is correct:", X == M

Python

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