RSA算法加解密知识整理

RSA概述

首先看这个加密算法的命名,很有意思,它其实是三个人的名字。早在1977年由麻省理工学院的三位数学家Rivest、Shamir 和 Adleman一起提出了这个加密算法,并且用他们三个人姓氏开头字母命名。
RSA可视为非对称加密来使用。公钥和秘钥是相对的。这是因为其中一个进行加密的信息,均可以用另一个进行解密。一般自己保留的秘钥为私钥,而寄予对方的为公钥。接下来,让我们对RSA算法进行整理。预备知识:数论相关

密钥生成的步骤

我们通过一个例子,来理解RSA算法。假设爱丽丝要与鲍勃进行加密通信,她该怎么生成公钥和私钥呢?

  • 第一步,随机选择两个不相等的质数p和q。

爱丽丝选择了61和53。(实际应用中,这两个质数越大,就越难破解。)

  • 第二步,计算p和q的乘积n。

爱丽丝就把61和53相乘。

n = 61×53 = 3233

n的长度就是密钥长度。3233写成二进制是110010100001,一共有12位,所以这个密钥就是12位。实际应用中,RSA密钥一般是1024位,重要场合则为2048位。

  • 第三步,计算n的欧拉函数φ(n)。

    根据公式:
    φ(n) = (p-1)(q-1)

爱丽丝算出φ(3233)等于60×52,即3120。

  • 第四步,随机选择一个整数e,条件是1< e < φ(n),且e与φ(n) 互质。

爱丽丝就在1到3120之间,随机选择了17。(实际应用中,常常选择65537。)

  • 第五步,计算e对于φ(n)的模反元素d。

    所谓"模反元素"就是指有一个整数d,可以使得ed被φ(n)除的余数为1。

    ed ≡ 1 (mod φ(n))

    这个式子等价于

    ed - 1 = kφ(n)

    于是,找到模反元素d,实质上就是对下面这个二元一次方程求解。

    ex + φ(n)y = 1

已知 e=17, φ(n)=3120,

17x + 3120y = 1

这个方程可以用"扩展欧几里得算法"求解,此处省略具体过程。总之,爱丽丝算出一组整数解为 (x,y)=(2753,-15),即 d=2753。

至此所有计算完成。

  • 第六步,将n和e封装成公钥,n和d封装成私钥。

在爱丽丝的例子中,n=3233,e=17,d=2753,所以公钥就是 (3233,17),私钥就是(3233, 2753)。

加密和解密

(1)加密要用公钥 (n,e)

假设鲍勃要向爱丽丝发送加密信息m,他就要用爱丽丝的公钥 (n,e)
对m进行加密。这里需要注意,m必须是整数(字符串可以取ascii值或unicode值),且m必须小于n。

所谓"加密",就是算出下式的c:
  RSA算法加解密知识整理_第1张图片

爱丽丝的公钥是 (3233, 17),鲍勃的m假设是65,那么可以算出下面的等式:

6517 ≡ 2790 (mod 3233)

于是,c等于2790,鲍勃就把2790发给了爱丽丝。

(2)解密要用私钥(n,d)

爱丽丝拿到鲍勃发来的2790以后,就用自己的私钥(3233, 2753) 进行解密。可以证明,下面的等式一定成立:
RSA算法加解密知识整理_第2张图片
也就是说,c的d次方除以n的余数为m。

现在,c等于2790,私钥是(3233, 2753),那么,爱丽丝算出

27902753 ≡ 65 (mod 3233)

因此,爱丽丝知道了鲍勃加密前的原文就是65。

至此,"加密–解密"的整个过程全部完成。

RSA签名验证

RSA密码体制既可以用于加密又可以用于数字签名。下面介绍RSA数字签名的功能。
已知公钥(e,n),私钥d:

1)对于消息m签名为:sign ≡ m ^d mod n
2)验证:对于消息签名对(m,sign),如果m ≡ sign ^e mod n,则sign是m的有效签名

RSA算法的可靠性

回顾上面的密钥生成步骤,一共出现六个数字:

p   q   n   φ(n)   e   d

这六个数字之中,公钥用到了两个(n和e),其余四个数字都是不公开的。其中最关键的是d,因为n和d组成了私钥,一旦d泄漏,就等于私钥泄漏

那么,有无可能在已知n和e的情况下,推导出d?

  • (1)ed≡1 (mod φ(n))。只有知道e和φ(n),才能算出d。

  • (2)φ(n)=(p-1)(q-1)。只有知道p和q,才能算出φ(n)。

  • (3)n=pq。只有将n因数分解,才能算出p和q。

结论:如果n可以被因数分解,d就可以算出,也就意味着私钥被破解。

可是,大整数的因数分解,是一件非常困难的事情。目前,除了暴力破解,还没有发现别的有效方法。维基百科这样写道:

对极大整数做因数分解的难度决定了RSA算法的可靠性。换言之,对一极大整数做因数分解愈困难,RSA算法愈可靠。只要密钥长度足够长,用RSA加密的信息实际上是不能被解破的。今天只有短的RSA密钥才可能被暴力破解。到2008年为止,世界上还没有任何可靠的攻击RSA算法的方式,目前被破解的最长RSA密钥就是768位。

RSA实操

利用mac自带的openssl很容易可以模拟出RSA加解密的过程。

1)我们我们生成一个公钥:
RSA算法加解密知识整理_第3张图片
2)从私钥中提取公钥
在这里插入图片描述
我们现在就有这两个文件:
RSA算法加解密知识整理_第4张图片
3、先写一段明文件数据,通过公钥加密数据,然后通过私钥解密数据
RSA算法加解密知识整理_第5张图片

参考链接

http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/06/rsa_algorithm_part_one.html

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