RSA加密算法 C++实现

    上信息安全课，老师布置了几个大作业，其中一个为RSA加密算法的实现，不能用Java写。出于兴趣，决定尝试。完成之后，为了便于查找，于是写下这篇文章，以备后续查看。也供大家一起学习，一起进步。

1、预备知识

1.1 快速幂算法

    顾名思义，快速幂就是快速算底数的$n$次幂。其时间复杂度为${\rm{O(log n)}}$，与朴素的$O\left( n \right)$相比，效率有了极大的提高。具体可以参考百度百科：快速幂。

1.2 扩展欧几里得算法

    扩展欧几里得算法（英语：Extended Euclidean algorithm）是欧几里得算法（又叫辗转相除法）的扩展。已知整数a、b，扩展欧几里得算法可以在求得a、b的最大公约数的同时，能找到整数x、y（其中一个很可能是负数），使它们满足贝祖等式

\[ax{\rm{ }} + {\rm{ }}by{\rm{ }} = {\rm{ }}gcd\left( {a,b} \right).\]

    如果$a$是负数，可以把问题转化成

    $\left| a \right|\left( { - x} \right){\rm{ }} + {\rm{ }}by{\rm{ }} = {\rm{ }}gcd\left( {\left| a \right|,b} \right)$（$\left| a \right|$为a的绝对值），然后令$x\prime {\rm{ }} = {\rm{ }}\left( { - x} \right)$。具体可以参考维基百科：扩展欧几里得。

1.3 米勒-拉宾素性检验算法

    要测试${\rm{N}}$是否为素数，首先将${\rm{N - 1}}$分解为${2^s}d$。在每次测试开始时，先随机选一个介于 [ 1 , N − 1 ] {\displaystyle [1,N-1]} $[1,N - 1]$的整数$a$，之后如果对所有的$r \in [0,s - 1]$，若${a^d}\bmod N \ne 1$且 a 2 r d mod N ≠ − 1 {\displaystyle a^{2^{r}d}\mod N\neq -1} ${a^{{2^r}d}}\bmod N \ne  - 1$，则$N$是合数。否则，$N$有$3/4$的概率为素数。

    构成该算法的思想是，如果${a^d} \ne 1\left( {{\rm{mod n}}} \right)$以及$n = 1{\rm{ }} + {\rm{ }}{2^s}d$是素数，则值序列

\[{a^d}mod n,{a^{2d}}mod n,{a^{4d}}mod n, \ldots ,{a^{{2^s}d}}mod n\]

    将以$1$结束，而且在头一个$1$的前边的值将是$n-1$(当$p$是素数时，对于${y^2} \equiv 1\left( {mod p} \right)$，仅有的解是$y \equiv  \pm 1\left( {mod p} \right)$，因为$\left( {y + 1} \right)\left( {y - 1} \right)$必须是$p$的倍数)。注意，如果在该序列中出现了$n-1$，则该序列中的下一个值一定是$1$,因为${\left( {n-1} \right)^2} \equiv {n^2}-2n + 1 \equiv 1\left( {mod n} \right)$。具体可以参考维基百科：米勒-拉宾素性检验。

1.4 RSA加密算法

1.4.1 公钥与私钥的产生

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

    1、随意选择两个大的质数$p$和$q$，$p$不等于$q$，计算$N = pq$。

    2、根据欧拉函数，求得$r = \varphi (N) = \varphi (p)\varphi (q) = (p - 1)(q - 1)$。

    3、选择一个小于$r$的整数$e$，使$e$与$r$互质。并求得$e$关于$r$的模反元素，命名为$d$(求$d$令$ed \equiv 1(\bmod \;r)$）。(模反元素存在，当且仅当$e$与$r$互质）

    4、将$p$和$q$的记录销毁。

    $\left( {N,e} \right)$是公钥，$\left( {N,d} \right)$是私钥。Alice将她的公钥$\left( {N,e} \right)$传给Bob，而将她的私钥$\left( {N,d} \right)$藏起来。

1.4.2 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$N$，且与$N$互质的整数$n$，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$c$：

\[{n^e} \equiv c({\rm{mod\;}}N)\]

    计算$c$并不复杂。Bob算出$c$后就可以将它传递给Alice。

1.4.3 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$n$：

\[{c^d} \equiv n({\rm{mod\;}}N)\]

    得到$n$后，她可以将原来的信息$m$重新复原。

    解码的原理是

\[{c^d} \equiv {n^{ed}}({\rm{mod}}\:N)\]

    已知$ed \equiv 1(\bmod \;r)$，即$ed = 1 + h\varphi (N)$。由欧拉定理得：

\[{n^{ed}} = {n^{1 + h\varphi (N)}} = n{\left( {{n^{\varphi (N)}}} \right)^h} \equiv n{(1)^h}(\bmod \;N) \equiv n(\bmod \;N)\]

    RSA也可用作数字签名。具体可以参考维基百科：RSA。

2、模块设计

2.1 BigInteger类

    因为该加密算法涉及的数可能很大，而C++中并没有像Java一样，内置大整数类BigInteger，故需自己实现，我的实现大概是模仿Java的BigInteger设计的。

    该模块包含两个文件：BigInteger.h和BigInteger.cpp。代码如下所示。

    BigInteger.h代码如下。

  1 /**
  2  * @Name    : BigInteger.h
  3  * @Date    : 2017-04-11-22.11.39
  4  * @Author  : Silenceneo ([email protected])
  5  * @Link    : http://www.cnblogs.com/Silenceneo-xw/
  6  * @Version : 2.0
  7  */
  8 
  9 #ifndef __BIGINTEGER_H__
 10 #define __BIGINTEGER_H__
 11 
 12 #include <string>
 13 #include 
 14 #include 
 15 class BigInteger {
 16 public:
 17     typedef long long long_t;
 18     typedef unsigned base_t;
 19     BigInteger(): is_negative(false) { data.push_back(0); }// 默认为0
 20     BigInteger(const BigInteger &);    // 利用给定的大整数初始化
 21     BigInteger(const std::string &);// 利用给定的十六进制字符串初始化
 22     BigInteger(const long_t &);        // 利用给定的long_t类型数据初始化
 23     ~BigInteger() {}
 24 
 25     BigInteger add(const BigInteger &);        // 大整数加法
 26     BigInteger subtract(const BigInteger &);// 大整数减法
 27     BigInteger multiply(const BigInteger &) const;// 大整数乘法
 28     BigInteger divide(const BigInteger &);    // 大整数整除
 29     BigInteger remainder(const BigInteger &);    // 大整数取余
 30     BigInteger mod(const BigInteger &);        // 大整数取模
 31     BigInteger divideAndRemainder(const BigInteger &, BigInteger &);// 大整数整除和取余
 32     BigInteger pow(const BigInteger &);        // 大整数幂乘
 33     BigInteger modPow(const BigInteger &, const BigInteger &) const;// 大整数幂模运算
 34     BigInteger modInverse(const BigInteger &);// 用扩展欧几里得算法求乘法逆元
 35 
 36     BigInteger shiftLeft(const unsigned);    // 移位运算,左移
 37     BigInteger shiftRight(const unsigned);    // 移位运算,右移
 38 
 39     int compareTo(const BigInteger &) const;// 比较运算
 40     bool equals(const BigInteger &) const;// 判断是否等于给定数
 41     static BigInteger valueOf(const long_t &);// 将给定数转换为大整数并返回
 42     std::string toString() const;    // 将大整数转换为十六进制字符串
 43     BigInteger abs() const;        // 求大整数的绝对值
 44 protected:
 45     // 以下运算符重载函数主要用于像基本类型一样使用大整数类型
 46     friend BigInteger operator + (const BigInteger &, const BigInteger &);
 47     friend BigInteger operator - (const BigInteger &, const BigInteger &);
 48     friend BigInteger operator * (const BigInteger &, const BigInteger &);
 49     friend BigInteger operator / (const BigInteger &, const BigInteger &);
 50     friend BigInteger operator % (const BigInteger &, const BigInteger &);
 51     friend bool operator < (const BigInteger &, const BigInteger &);
 52     friend bool operator > (const BigInteger &, const BigInteger &);
 53     friend bool operator == (const BigInteger &, const BigInteger &);
 54     friend bool operator <= (const BigInteger &, const BigInteger &);
 55     friend bool operator >= (const BigInteger &, const BigInteger &);
 56     friend bool operator != (const BigInteger &, const BigInteger &);
 57 
 58     // 重载版本,使其能用于long_t类型
 59     friend BigInteger operator + (const BigInteger &, const long_t &);
 60     friend BigInteger operator - (const BigInteger &, const long_t &);
 61     friend BigInteger operator * (const BigInteger &, const long_t &);
 62     friend BigInteger operator / (const BigInteger &, const long_t &);
 63     friend BigInteger operator % (const BigInteger &, const long_t &);
 64     friend bool operator < (const BigInteger &, const long_t &);
 65     friend bool operator > (const BigInteger &, const long_t &);
 66     friend bool operator == (const BigInteger &, const long_t &);
 67     friend bool operator <= (const BigInteger &, const long_t &);
 68     friend bool operator >= (const BigInteger &, const long_t &);
 69     friend bool operator != (const BigInteger &, const long_t &);
 70 
 71     friend std::ostream & operator << (std::ostream &, const BigInteger &);
 72     BigInteger operator = (const std::string & str) { return (*this) = BigInteger(str); }
 73     BigInteger operator = (const long_t & num) { return (*this) = BigInteger(num); }
 74 private:
 75     BigInteger trim();    // 去掉高位无用的0
 76     int hexToNum(char);    // 十六进制字符转换为十进制数
 77 public:
 78     static const int base_bit = 5;    // 2^5=32,大整数每位存储的二进制位数
 79     static const int base_char = 8;    // 组成大整数的一位需要的十六进制位数
 80     static const int base_int = 32;    // 大整数一位对应的二进制位数
 81     static const int base_num = 0xffffffff;// 截取低位的辅助
 82     static const int base_temp = 0x1f;    // 截取模32的余数的辅助
 83     static const BigInteger ZERO;    // 大整数常量0
 84     static const BigInteger ONE;    // 大整数常量1
 85     static const BigInteger TWO;    // 大整数常量2
 86     static const BigInteger TEN;    // 大整数常量10
 87 private:
 88     bool is_negative;// 是否为负数
 89     std::vector data;// 按位数据存储,高位在后
 90     class bit {    // 便于大整数运算的二进制处理类
 91     public:
 92         bit(const BigInteger &);// 根据大整数初始化
 93 
 94         size_t size() { return length; }    // 返回大整数对应的二进制位数
 95         bool at(size_t);    // 返回第i位二进制是否为1
 96     private:
 97         std::vector bit_vector;    // 二进制数据存储,每一个元素对应32位二进制
 98         size_t length;    // 二进制的总位数
 99     };
100     friend class RSA;    // RSA为其友元类
101 };
102 
103 #endif // __BIGINTEGER_H__

View Code

    BigInteger.cpp代码如下。

  1 /**
  2  * @Name    : BigInteger.cpp
  3  * @Date    : 2017-04-11-22.16.42
  4  * @Author  : Silenceneo ([email protected])
  5  * @Link    : http://www.cnblogs.com/Silenceneo-xw/
  6  * @Version : 2.0
  7  */
  8 
  9 #include 
 10 #include 
 11 #include 
 12 #include "BigInteger.h"
 13 
 14 // 以下表示为静态常量赋值
 15 const BigInteger BigInteger::ZERO = BigInteger(0);
 16 const BigInteger BigInteger::ONE = BigInteger(1);
 17 const BigInteger BigInteger::TWO = BigInteger(2);
 18 const BigInteger BigInteger::TEN = BigInteger(10);
 19 
 20 /**
 21  * 函数功能:根据给定的大整数构造一个新的大整数
 22  * 参数含义:val代表给定的大整数
 23  */
 24 BigInteger::BigInteger(const BigInteger & val) {
 25     *this = val;
 26 }
 27 
 28 /**
 29  * 函数功能:根据给定的十六进制字符串数据构造一个大整数
 30  * 参数含义:str代表给定的数据
 31  */
 32 BigInteger::BigInteger(const std::string & str): is_negative(false) {
 33     std::string t(str);
 34     if (t.size() && t.at(0)=='-') {
 35         if (t.size() > 1)
 36             is_negative = true;
 37         t = t.substr(1);
 38     }
 39     int cnt = (8-(t.size()%8))%8;// 数的长度不是8的倍数,补足0
 40     std::string temp;
 41 
 42     for (int i=0; ii)
 43         temp.push_back('0');
 44 
 45     t = temp+t;
 46 
 47     for (size_t i=0; ibase_char) {
 48         base_t sum = 0;
 49         for (int j=0; j// 8位十六进制组成大整数的一位
 50             char ch = t[i+j];
 51             int num = hexToNum(ch);
 52             sum = ((sum<<4) | (num));
 53         }
 54         data.push_back(sum);
 55     }
 56     reverse(data.begin(), data.end());// 高位在后
 57     *this = trim();// 去除高位的0
 58 }
 59 
 60 /**
 61  * 函数功能:根据给定的long_t类型数据构造一个大整数
 62  * 参数含义:num代表给定的数据
 63  */
 64 BigInteger::BigInteger(const long_t & num): is_negative(false) {
 65     long_t t = num;
 66     if (t < 0) {
 67         is_negative = true;
 68         t = -t;
 69     }
 70     do {
 71         base_t temp = (t&base_num);    // 每次截取低32位
 72         data.push_back(temp);
 73         t >>= base_int;
 74     } while (t);
 75 }
 76 
 77 /**
 78  * 函数功能:大整数加法运算
 79  * 参数含义:val代表加数
 80  */
 81 BigInteger BigInteger::add(const BigInteger & val) {
 82     BigInteger ans(*this);
 83     if (ans.is_negative == val.is_negative) {// 同号
 84         int len = val.data.size()-ans.data.size();
 85 
 86         while ((len--) > 0)    // 被加数位数少,高位补0
 87             ans.data.push_back(0);
 88 
 89         int carry = 0;    // 进位
 90         for (size_t i=0; ii) {
 91             base_t temp = ans.data[i];
 92             ans.data[i] += val.data[i]+carry;    // 无符号数相加,超出取其余数
 93             // 进位:一种是有无进位都超出,一种是有进位才超出(比如十进制相加,9+9+1,得9,9+0+0,得9)
 94             carry = (temp>ans.data[i] ? 1 : (temp>(temp+val.data[i]) ? 1 : 0));
 95         }
 96 
 97         for (size_t i=val.data.size(); i0; ++i) {// 还有进位
 98             base_t temp = ans.data[i];
 99             ans.data[i] += carry;
100             carry = temp > ans.data[i];
101         }
102 
103         if (carry)    // 还有进位
104             ans.data.push_back(carry);
105     }
106     else {    // 异号
107         BigInteger a = abs();
108         BigInteger b = val.abs();
109         int flag = a.compareTo(b);
110         // 绝对值相等,则结果为0,否则用绝对值大的减去小的,符号随绝对值大的
111         if (flag == -1) {
112             ans = b.subtract(a);
113             ans.is_negative = val.is_negative;
114         }
115         else if (flag == 0)
116             ans = ZERO;
117         else {
118             ans = a.subtract(b);
119             ans.is_negative = is_negative;
120         }
121     }
122     return ans;
123 }
124 
125 /**
126  * 函数功能:大整数减法运算
127  * 参数含义:val代表减数
128  */
129 BigInteger BigInteger::subtract(const BigInteger & val) {
130     BigInteger ans(*this);
131     BigInteger a = abs();
132     BigInteger b = val.abs();
133     if (ans.is_negative == val.is_negative) {// 同号
134         int flag = a.compareTo(b);
135         if (flag == 1) {// a的绝对值大于b的绝对值,直接减
136             int borrow = 0;    // 借位
137             // 大数减小数
138             for (size_t i=0; ii) {
139                 base_t temp = ans.data[i];
140                 ans.data[i] -= val.data[i]+borrow;
141                 // 借位:一种是有无借位都超出,另一种是有借位才超出(比如十进制相减,9-0-0,得9,9-9-1,得9)
142                 borrow = temp1 : (temp-borrow1 : 0);
143             }
144             for (size_t i=val.data.size(); i0; ++i) {// 还有借位
145                 base_t temp = ans.data[i];
146                 ans.data[i] -= borrow;
147                 borrow = temp < (base_t)borrow;
148             }
149             ans = ans.trim();// 去掉高位多余的0
150         }
151         else if (flag == 0)
152             ans = ZERO;
153         else {// a的绝对值小于b的绝对值
154             ans = b.subtract(a);
155             ans.is_negative = !is_negative;
156         }
157     }
158     else {    // 异号
159         ans = a.add(b);    // 转换为加法
160         ans.is_negative = is_negative;
161     }
162     return ans;
163 }
164 
165 /**
166  * 函数功能:大整数乘法运算
167  * 参数含义:val代表乘数
168  */
169 BigInteger BigInteger::multiply(const BigInteger & val) const {
170     if (equals(ZERO) || val.equals(ZERO))
171         return ZERO;
172     // 将位数少的作为乘数
173     const BigInteger & big = data.size()>val.data.size() ? (*this) : val;
174     const BigInteger & small = (&big)==(this) ? val : (*this);
175 
176     BigInteger ans;
177     bit t(small);    // 转换为二进制进行运算
178 
179     for (int i=t.size()-1; i>=0; --i)
180         if (t.at(i)) {
181             BigInteger temp(big);
182             temp.is_negative = false;
183             temp = temp.shiftLeft(i);    // 移位对齐
184             ans = ans.add(temp);
185         }
186     ans.is_negative = !(is_negative == val.is_negative);
187     return ans;
188 }
189 
190 /**
191  * 函数功能:大整数整除运算
192  * 参数含义:val代表除数
193  */
194 BigInteger BigInteger::divide(const BigInteger & val) {
195     BigInteger temp;
196     BigInteger ans = divideAndRemainder(val, temp);
197     return ans;
198 }
199 
200 /**
201  * 函数功能:大整数取余运算
202  * 参数含义:val代表除数
203  */
204 BigInteger BigInteger::remainder(const BigInteger & val) {
205     BigInteger ans;
206     divideAndRemainder(val, ans);
207     return ans;
208 }
209 
210 /**
211  * 函数功能:大整数取模运算(不同于取余,该函数总是返回正余数)
212  * 参数含义:m代表模数
213  */
214 BigInteger BigInteger::mod(const BigInteger & m) {
215     BigInteger ans = remainder(m);
216     if (ans.is_negative)
217         ans = ans.add(m);
218     return ans;
219 }
220 
221 /**
222  * 函数功能:大整数整除运算和取余运算,整除结果直接返回,取余结果由m传回
223  * 参数含义:val表示除数,m表示取余结果
224  */
225 BigInteger BigInteger::divideAndRemainder(const BigInteger & val, BigInteger & m) {
226     assert(!val.equals(ZERO));
227     BigInteger a = abs();
228     BigInteger b = val.abs();
229     int flag = a.compareTo(b);
230     if (flag == 0)// 绝对值相等
231         return (is_negative==val.is_negative) ? BigInteger(1) : BigInteger(-1);
232     if (flag == -1) {
233         m = *this;
234         return ZERO;
235     }
236     BigInteger ans;
237 
238     bit bit_b(b);
239     // 位数对齐
240     while (true) {// a的绝对值大于b的绝对值
241         bit bit_a(a);
242         int len = bit_a.size()-bit_b.size();
243         BigInteger temp;
244         // 找到移位
245         while (len >= 0) {
246             temp = b.shiftLeft(len);
247             if (temp.compareTo(a) != 1)// 找到最大的左移位数使得当前的a大于等于b
248                 break;
249             --len;
250         }
251         if (len < 0)    // 当前的a小于b了
252             break;
253         base_t num = 0;
254         while (temp.compareTo(a) != 1) {
255             a = a.subtract(temp);
256             ++num;    // 统计当前的a最多大于等于几个移位后的b
257         }
258         temp = BigInteger(num);
259         if (len)
260             temp = temp.shiftLeft(len);// 移位后表明当前的a是b的几倍
261         ans = ans.add(temp);
262     }
263     ans.is_negative = !(is_negative==val.is_negative);
264     m.data = a.data;
265     m.is_negative = is_negative;
266     return ans;
267 }
268 
269 /**
270  * 函数功能:大整数幂乘运算
271  * 参数含义:exponent代表指数
272  */
273 BigInteger BigInteger::pow(const BigInteger & exponent) {
274     BigInteger ans(1);
275     bit t(exponent);    // 转化为二进制,快速求幂
276     for (int i=t.size()-1; i>=0; --i) {
277         ans = ans.multiply(ans);
278         if (t.at(i))
279             ans = multiply(ans);// 从高位开始,位权累加效应
280     }
281     return ans;
282 }
283 
284 /**
285  * 函数功能:大整数模幂运算
286  * 参数含义:exponent代表指数,m代表模数
287  */
288 BigInteger BigInteger::modPow(const BigInteger & exponent, const BigInteger & m) const {
289     assert(!m.equals(ZERO));
290     BigInteger ans(1);
291     bit t(exponent);
292     for (int i=t.size()-1; i>=0; --i) {
293         ans = ans.multiply(ans).mod(m);
294         if (t.at(i))
295             ans = multiply(ans).mod(m);
296     }
297     return ans;
298 }
299 
300 /**
301  * 函数功能:扩展欧几里得算法求乘法逆元
302  * 参数含义:m代表求逆元时的模数
303  */
304 BigInteger BigInteger::modInverse(const BigInteger & m) {
305     assert(!is_negative);    // 当前大整数为正数
306     assert(!m.is_negative);    // m为正数
307     if (equals(ZERO) || m.equals(ZERO))
308         return ZERO;    // 有一个数为0,就不存在乘法逆元
309     BigInteger a[3], b[3], t[3];
310     // 以下进行初等变换
311     a[0] = 0; a[1] = 1; a[2] = *this;
312     b[0] = 1; b[1] = 0; b[2] = m;
313 
314     for (t[2]=a[2].mod(b[2]); !t[2].equals(ZERO); t[2]=a[2].mod(b[2])) {
315         BigInteger temp = a[2].divide(b[2]);
316         for (int i=0; i<3; ++i) {
317             t[i] = a[i].subtract(temp.multiply(b[i]));// 不超过一次a[2]-temp*b[2]就变为大数减小数
318             a[i] = b[i];
319             b[i] = t[i];
320         }
321     }
322     if (b[2].equals(ONE)) {// 最大公约数为1,存在乘法逆元
323         if (b[1].is_negative)// 逆元为负数
324             b[1] = b[1].add(m);// 变为正数,使其在m的剩余集中
325         return b[1];
326     }
327     return ZERO;// 最大公约数不为1,无乘法逆元
328 }
329 
330 /**
331  * 函数功能:移位运算,左移
332  * 参数含义:len代表移位的位数
333  */
334 BigInteger BigInteger::shiftLeft(const unsigned len) {
335     int index = len>>base_bit;    // 大整数每一位需要移动多少位
336     int shift = len&base_temp;    // 还剩下多少位
337     BigInteger ans(*this);
338 
339     int inc = (shift==0) ? index : index+1;// 有多余的位要多开大整数的一位
340     for (int i=0; ii)
341         ans.data.push_back(0);    // 高位补0
342 
343     if (index) {
344         inc = (shift==0) ? 1 : 2;// 有多余的位要预留一位
345         for (int i=ans.data.size()-inc; i>=index; --i)
346             ans.data[i] = ans.data[i-index];
347         for (int i=0; ii)
348             ans.data[i] = 0;
349     }
350     if (shift) {
351         base_t t = base_num;
352         t <<= base_int-shift;    // 用于截取高位
353         // 左移
354         base_t temp = 0;
355         for (size_t i=0; ii) {
356             base_t tmp = ans.data[i];
357             ans.data[i] = (tmp<// 左移后加上大整数低位的高位
358             temp = (tmp&t)>>(base_int-shift);// 获取该大整数位的高位
359         }
360     }
361     ans = ans.trim();
362     return ans;
363 }
364 
365 /**
366  * 函数功能:移位运算,右移
367  * 参数含义:len代表移位的位数
368  */
369 BigInteger BigInteger::shiftRight(const unsigned len) {
370     bit val(*this);
371     if (len >= val.size())// 当前大整数位数小于等于移位位数,返回0
372         return ZERO;
373     int index = len>>base_bit;// 大整数每一位需要移动多少位
374     int shift = len&base_temp;// 还剩下多少位
375     BigInteger ans(*this);
376 
377     if (index) {
378         for (int i=0; ii)
379             ans.data[i] = ans.data[i+index];
380         for (int i=0; ii)
381             ans.data.pop_back();    // 高位删除
382     }
383     if (shift) {
384         base_t t = base_num;
385         t >>= base_int-shift;    // 用于截取低位
386         // 右移
387         base_t temp = 0;
388         for (int i=ans.data.size()-1; i>=0; --i) {
389             base_t tmp = ans.data[i];
390             ans.data[i] = (tmp>>shift) | temp;// 右移后加上大整数高位的低位
391             temp = (tmp&t)<<(base_int-shift);// 获取该大整数位的低位
392         }
393     }
394     ans = ans.trim();
395     return ans;
396 }
397 
398 /**
399  * 函数功能:大整数比较函数,-1表示本大整数要小,0表示相等,1表示本大整数要大
400  * 参数含义:val代表要与之比较的大整数
401  */
402 int BigInteger::compareTo(const BigInteger & val) const {
403     if (is_negative != val.is_negative) {// 符号不同,负数必小
404         if (is_negative == true)
405             return -1;
406         return 1;
407     }
408     int flag = 0;
409     if (data.size() < val.data.size())// 位数较小
410         flag = -1;
411     else if (data.size() > val.data.size())// 位数较大
412         flag = 1;
413     else {    // 位数相等,从高位开始一一比较
414         for (std::vector::const_reverse_iterator it=data.rbegin(), ite=val.data.rbegin(); it!=data.rend(); ++it, ++ite)
415             if ((*it) != (*ite)) {
416                 flag = (*it)<(*ite) ? -1 : 1;    // 高位小,则小
417                 break;
418             }
419     }
420     if (is_negative)    // 如为负数,小的反而大
421         flag = -flag;
422     return flag;
423 }
424 
425 /**
426  * 函数功能:大整数是否相等函数
427  * 参数含义:val表示要与之比较的大整数
428  */
429 bool BigInteger::equals(const BigInteger & val) const {
430     return (is_negative==val.is_negative) && (data==val.data);// 符号和数据都要相等
431 }
432 
433 /**
434  * 函数功能:将一个long_t类型的数据转换为大整数并返回
435  * 参数含义:num表示给定的数
436  */
437 BigInteger BigInteger::valueOf(const long_t & num) {
438     return BigInteger(num);
439 }
440 
441 /**
442  * 函数功能:将大整数转换为十六进制字符串并返回
443  */
444 std::string BigInteger::toString() const {
445     std::string ans;
446     base_t t = base_num;
447     t <<= base_int-4;    // 用于截取高4位
448     for (int i=data.size()-1; i>=0; --i) {
449         base_t temp = data[i];
450         for (int j=0; jj) {
451             base_t num = t&temp;// 每次截取高4位
452             num >>= base_int-4;    // 将高4位移到低4位
453             temp <<= 4;
454             if (num < 10)
455                 ans.push_back((char)('0'+num));
456             else
457                 ans.push_back((char)('A'+num-10));
458         }
459     }
460     while (ans.size()>0 && ans.at(0)=='0')// 去掉高位无用的0
461         ans = ans.substr(1);
462     if (ans.empty())    // 空串说明为0
463         ans.push_back('0');
464     if (is_negative)    // 为负数加上负号
465         ans = "-"+ans;
466     return ans;
467 }
468 
469 /**
470  * 函数功能:返回大整数的绝对值
471  */
472 BigInteger BigInteger::abs() const {
473     BigInteger ans;
474     ans.data = data;// 只复制数据,符号默认为正
475     return ans;
476 }
477 
478 // 以下运算符重载函数主要是为了使得能使用
479 // 大整数类型像使用基本类型一样,不一一介绍
480 BigInteger operator + (const BigInteger & a, const BigInteger & b) {
481     BigInteger t(a);
482     return t.add(b);
483 }
484 
485 BigInteger operator - (const BigInteger & a, const BigInteger & b) {
486     BigInteger t(a);
487     return t.subtract(b);
488 }
489 
490 BigInteger operator * (const BigInteger & a, const BigInteger & b) {
491     BigInteger t(a);
492     return t.multiply(b);
493 }
494 
495 BigInteger operator / (const BigInteger & a, const BigInteger & b) {
496     BigInteger t(a);
497     return t.divide(b);
498 }
499 
500 BigInteger operator % (const BigInteger & a, const BigInteger & b) {
501     BigInteger t(a);
502     return t.remainder(b);
503 }
504 
505 bool operator < (const BigInteger & a, const BigInteger & b) {
506     return a.compareTo(b) == -1;
507 }
508 
509 bool operator > (const BigInteger & a, const BigInteger & b) {
510     return b < a;
511 }
512 
513 bool operator == (const BigInteger & a, const BigInteger & b) {
514     return a.equals(b);
515 }
516 
517 bool operator <= (const BigInteger & a, const BigInteger & b) {
518     return !(a > b);
519 }
520 
521 bool operator >= (const BigInteger & a, const BigInteger & b) {
522     return !(a < b);
523 }
524 
525 bool operator != (const BigInteger & a, const BigInteger & b) {
526     return !(a == b);
527 }
528 
529 BigInteger operator + (const BigInteger & a, const BigInteger::long_t & b) {
530     return a+BigInteger(b);
531 }
532 
533 BigInteger operator - (const BigInteger & a, const BigInteger::long_t & b) {
534     return a-BigInteger(b);
535 }
536 
537 BigInteger operator * (const BigInteger & a, const BigInteger::long_t & b) {
538     return a*BigInteger(b);
539 }
540 
541 BigInteger operator / (const BigInteger & a, const BigInteger::long_t & b) {
542     return a/BigInteger(b);
543 }
544 
545 BigInteger operator % (const BigInteger & a, const BigInteger::long_t & b) {
546     return a%BigInteger(b);
547 }
548 
549 bool operator < (const BigInteger & a, const BigInteger::long_t & b) {
550     return a < BigInteger(b);
551 }
552 
553 bool operator > (const BigInteger & a, const BigInteger::long_t & b) {
554     return a > BigInteger(b);
555 }
556 
557 bool operator == (const BigInteger & a, const BigInteger::long_t & b) {
558     return a == BigInteger(b);
559 }
560 
561 bool operator <= (const BigInteger & a, const BigInteger::long_t & b) {
562     return a <= BigInteger(b);
563 }
564 
565 bool operator >= (const BigInteger & a, const BigInteger::long_t & b) {
566     return a >= BigInteger(b);
567 }
568 
569 bool operator != (const BigInteger & a, const BigInteger::long_t & b) {
570     return a != BigInteger(b);
571 }
572 
573 std::ostream & operator << (std::ostream & out, const BigInteger & val) {
574     out << val.toString();
575     return out;
576 }
577 
578 /**
579  * 函数功能:创建该大整数的一个副本,去除掉高位无用的0后并返回
580  */
581 BigInteger BigInteger::trim() {
582     size_t cnt = 0;
583     // 检查高位为0的元素的数量
584     for (std::vector::const_reverse_iterator it=data.rbegin(); it!=data.rend(); ++it) {
585         if ((*it) == 0)
586             ++cnt;
587         else
588             break;
589     }
590     if (cnt == data.size())    // 只有零的情况保留
591         --cnt;
592     BigInteger ans(*this);
593     for (size_t i=0; ii)
594         ans.data.pop_back();
595     return ans;
596 }
597 
598 /**
599  * 函数功能:根据给定的字符确定它所对应的十进制数
600  * 参数含义:ch代表给定的字符
601  */
602 int BigInteger::hexToNum(char ch) {
603     int ans = 0;
604     if (isdigit(ch))
605         ans = ch-'0';
606     else if (islower(ch))
607         ans = ch-'a'+10;
608     else
609         ans = ch-'A'+10;
610     return ans;
611 }
612 
613 /**
614  * 函数功能:根据给定的大整数初始化
615  * 参数含义:val代表给定的大整数
616  */
617 BigInteger::bit::bit(const BigInteger & val) {
618     bit_vector = val.data;
619     base_t temp = bit_vector[bit_vector.size()-1];// 大整数最高位
620     length = bit_vector.size()<// 大整数一位占二进制32位
621     base_t t = 1<<(base_int-1);    // 用于截取一个数的二进制最高位
622 
623     if (temp == 0)    // 大整数最高位为0,减去32
624         length -= base_int;
625     else {
626         while (!(temp & t)) {// 从高位开始检测大整数的二进制位,为0长度减一
627             --length;
628             t >>= 1;    // 右移一位表示检测下一位
629         }
630     }
631 }
632 
633 /**
634  * 函数功能:检测大整数的第id位二进制位是否为1
635  * 参数含义:id代表第id位
636  */
637 bool BigInteger::bit::at(size_t id) {
638     size_t index = id>>base_bit;// 确定其在大整数第几位
639     size_t shift = id&base_temp;// 确定其在大整数那一位的二进制第几位
640     base_t t = bit_vector[index];
641     return (t & (1<<shift));
642 }

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2.2 RSA类

    该类主要实现RSA相关功能，例如加密和解密等。

    该模块也有两个文件：RSA.h和RSA.cpp。代码如下所示。

    RSA.h代码如下。

 1 /**
 2  * @Name    : RSA.h
 3  * @Date    : 2017-04-11-22.25.57
 4  * @Author  : Silenceneo ([email protected])
 5  * @Link    : http://www.cnblogs.com/Silenceneo-xw/
 6  * @Version : 2.0
 7  */
 8 
 9 #ifndef __RSA_H__
10 #define __RSA_H__
11 
12 #include 
13 #include "BigInteger.h"
14 class RSA {
15 public:
16     RSA() {}
17     RSA(const unsigned len) { init(len); }    // 利用len初始化对象
18     ~RSA() {}
19 
20     void init(const unsigned);// 初始化,产生公私钥对
21 
22     BigInteger encryptByPublic(const BigInteger &);    // 公钥加密
23     BigInteger decryptByPrivate(const BigInteger &);// 私钥解密
24 
25     // 以下主要用于数字签名
26     BigInteger encryptByPrivate(const BigInteger &);// 私钥加密
27     BigInteger decryptByPublic(const BigInteger &);    // 公钥解密
28 protected:
29     friend std::ostream & operator << (std::ostream &, const RSA &);// 输出相关数据
30 private:
31     BigInteger createOddNum(unsigned);// 生成一个大奇数,参数为其长度
32     bool isPrime(const BigInteger &, const unsigned);// 判断是否为素数
33     BigInteger createRandomSmaller(const BigInteger &);// 随机创建一个更小的数
34     BigInteger createPrime(unsigned, const unsigned);// 生成一个大素数,参数为其长度
35     void createExponent(const BigInteger &);// 根据提供的欧拉数生成公钥、私钥指数
36 public:
37     BigInteger n, e;// 公钥
38 private:
39     BigInteger d;// 私钥
40     BigInteger p, q;// 大素数p和q
41     BigInteger eul;// n的欧拉函数
42 };
43 
44 #endif // __RSA_H__

View Code

    RSA.cpp代码如下。

  1 /**
  2  * @Name    : RSA.cpp
  3  * @Date    : 2017-04-11-22.27.51
  4  * @Author  : Silenceneo ([email protected])
  5  * @Link    : http://www.cnblogs.com/Silenceneo-xw/
  6  * @Version : 2.0
  7  */
  8 
  9 #include 
 10 #include 
 11 #include 
 12 #include "RSA.h"
 13 
 14 /**
 15  * 函数功能:初始化RSA对象的相关信息
 16  * 参数含义:len表示大素数的二进制位数
 17  */
 18 void RSA::init(const unsigned len) {
 19     srand((unsigned)time(NULL));
 20     // 产生大素数p和q
 21     p = createPrime(len, 15);// 出错概率为(1/4)^15
 22     q = createPrime(len, 15);
 23     // 计算出n
 24     n = p*q;
 25     // 计算出n的欧拉函数
 26     eul = (p-1)*(q-1);
 27     // 设置加解密指数e和d
 28     createExponent(eul);
 29 }
 30 
 31 /**
 32  * 函数功能:使用公钥进行加密
 33  * 参数含义:m表示要加密的明文
 34  */
 35 BigInteger RSA::encryptByPublic(const BigInteger & m) {
 36     return m.modPow(e, n);
 37 }
 38 
 39 /**
 40  * 函数功能:使用私钥进行解密
 41  * 参数含义:c表示要解密的密文
 42  */
 43 BigInteger RSA::decryptByPrivate(const BigInteger & c) {
 44     return c.modPow(d, n);
 45 }
 46 
 47 /**
 48  * 函数功能:使用私钥进行加密
 49  * 参数含义:m表示要加密的明文
 50  */
 51 BigInteger RSA::encryptByPrivate(const BigInteger & m) {
 52     return decryptByPrivate(m);
 53 }
 54 
 55 /**
 56  * 函数功能:使用公钥进行解密
 57  * 参数含义:c表示要解密的密文
 58  */
 59 BigInteger RSA::decryptByPublic(const BigInteger & c) {
 60     return encryptByPublic(c);
 61 }
 62 
 63 /**
 64  * 函数功能:输出RSA相关数据
 65  * 参数含义:out表示输出流,rsa表示要输出的RSA对象
 66  */
 67 std::ostream & operator << (std::ostream & out, const RSA & rsa) {
 68     out << "n: " << rsa.n << "\n";
 69     out << "p: " << rsa.p << "\n";
 70     out << "q: " << rsa.q << "\n";
 71     out << "e: " << rsa.e << "\n";
 72     out << "d: " << rsa.d;
 73     return out;
 74 }
 75 
 76 /**
 77  * 函数功能:生成一个长度为len的奇数
 78  * 参数含义:len代表奇数的二进制长度
 79  */
 80 BigInteger RSA::createOddNum(unsigned len) {
 81     static const char hex_table[] = {'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7',
 82                                     '8', '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F'};
 83     len >>= 2;    // 十六进制数据,每位占4位二进制
 84     if (len) {
 85         std::ostringstream oss;
 86         for (size_t i=0; i1; ++i)
 87             oss << hex_table[rand()%16];
 88         oss << hex_table[1];// 最后一位为奇数
 89         return BigInteger(oss.str());
 90     }
 91     return BigInteger("F");
 92 }
 93 
 94 /**
 95  * 函数功能:判断一个数是否为素数,采用米勒拉宾大素数检测算法,失误率为(1/4)^k
 96  * 参数含义:num代表要判定的数,k代表测试次数
 97  */
 98 bool RSA::isPrime(const BigInteger & num, const unsigned k) {
 99     assert(num != BigInteger::ZERO);// 测试num是否为0
100     if (num == BigInteger::ONE)
101         return false;    // 1不是素数
102     if (num == BigInteger::TWO)
103         return true;    // 2是素数
104 
105     BigInteger t = num-1;
106     BigInteger::bit b(t);// 二进制数
107     if (b.at(0) == 1)    // 减一之后为奇数,原数为偶数
108         return false;
109     // num-1 = 2^s*d
110     size_t s = 0;    // 统计二进制末尾有几个0
111     BigInteger d(t);
112     for (size_t i=0; ii) {
113         if (!b.at(i)) {
114             ++s;
115             d = d.shiftRight(1);// 计算出d
116         }
117         else
118             break;
119     }
120 
121     for (size_t i=0; i// 测试k次
122         BigInteger a = createRandomSmaller(num);// 生成一个介于[1,num-1]之间的随机数a
123         BigInteger x = a.modPow(d, num);
124         if (x == BigInteger::ONE)// 可能为素数
125             continue;
126         bool ok = true;
127         // 测试所有0<=j
128         for (size_t j=0; jj) {
129             if (x == t)
130                 ok = false;    // 有一个相等,可能为素数
131             x = x.multiply(x).mod(num);
132         }
133         if (ok)    // 确实都不等,一定为合数
134             return false;
135     }
136     return true;    // 通过所有测试,可能为素数
137 }
138 
139 /**
140  * 函数功能:随机生成一个比val小的数
141  * 参数含义:val代表比较的那个数
142  */
143 BigInteger RSA::createRandomSmaller(const BigInteger & val) {
144     BigInteger::base_t t = 0;
145     do {
146         t = rand();
147     } while (t == 0);// 随机生成非0数
148 
149     BigInteger mod(t);
150     BigInteger ans = mod%val;    // 比val要小
151     if (ans == BigInteger::ZERO)// 必须非零
152         ans = val-BigInteger::ONE;
153     return ans;
154 }
155 
156 /**
157  * 函数功能:生成一个二进制长度为len的大素数
158  * 参数含义:len代表大素数的长度,k代表素数检测的次数
159  */
160 BigInteger RSA::createPrime(unsigned len, const unsigned k) {
161     assert(k > 0);
162     BigInteger ans = createOddNum(len);// 先生成一个奇数
163     while (!isPrime(ans, k)) {// 素性检测
164         ans = ans.add(BigInteger::TWO);// 下一个奇数
165     }
166     return ans;
167 }
168 
169 /**
170  * 函数功能:根据提供的欧拉数生成公钥、私钥指数
171  * 参数含义:eul表示提供的欧拉数
172  */
173 void RSA::createExponent(const BigInteger & eul) {
174     e = 65537;
175     d = e.modInverse(eul);
176 }

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2.3 EncryptDecrypt类

    该类主要用于封装加解密的一些操作，比如判断数据是否合法，输入输出加解密信息等。

    该模块同样有两个文件：EncryptDecrypt.h和EncryptDecrypt.cpp。代码如下所示。

    EncryptDecrypt.h代码如下。

 1 /**
 2  * @Name    : EncryptDecrypt.h
 3  * @Date    : 2017-04-11-22.29.58
 4  * @Author  : Silenceneo ([email protected])
 5  * @Link    : http://www.cnblogs.com/Silenceneo-xw/
 6  * @Version : 2.0
 7  */
 8 
 9 #ifndef __ENCRYPTDECRYPT_H__
10 #define __ENCRYPTDECRYPT_H__
11 
12 #include <string>
13 #include "RSA.h"
14 class EncryptDecrypt {
15 public:
16     EncryptDecrypt() {}
17     ~EncryptDecrypt() {}
18 
19     void menu();    // 菜单显示
20     bool encrypt();    // 加密
21     bool decrypt();    // 解密
22     void print();    // 打印RSA相关信息
23     void reset();    // 重置RSA相关信息
24 protected:
25     void load(int);    // 根据给定位数加载RSA对象
26     bool islegal(const std::string &);// 判断输入字符串是否合法
27 private:
28     RSA rsa;
29 };
30 
31 #endif // __ENCRYPTDECRYPT_H__

View Code

    EncryptDecrypt.cpp代码如下。

  1 /**
  2  * @Name    : EncryptDecrypt.cpp
  3  * @Date    : 2017-04-11-22.32.18
  4  * @Author  : Silenceneo ([email protected])
  5  * @Link    : http://www.cnblogs.com/Silenceneo-xw/
  6  * @Version : 2.0
  7  */
  8 
  9 #include 
 10 #include 
 11 #include "EncryptDecrypt.h"
 12 
 13 /**
 14  * 函数功能:菜单显示
 15  */
 16 void EncryptDecrypt::menu() {
 17     std::cout << "**********Welcome to use RSA encoder**********" << std::endl;
 18     std::cout << "               e: encrypt 加密               " << std::endl;
 19     std::cout << "               d: decrypt 解密               " << std::endl;
 20     std::cout << "               p: print   显示               " << std::endl;
 21     std::cout << "               r: reset   重置               " << std::endl;
 22     std::cout << "               q: quit    退出               " << std::endl;
 23     std::cout << "input your choice:" << std::endl;
 24 }
 25 
 26 /**
 27  * 函数功能:加密运算
 28  */
 29 bool EncryptDecrypt::encrypt() {
 30     std::string str;
 31     std::cout << "输入16进制数据:" << std::endl;
 32     std::cout << ">";
 33     std::cin >> str;// 输入明文
 34     if (!std::cin || !islegal(str))
 35         return false;
 36     BigInteger m(str);
 37     clock_t start = clock();
 38     BigInteger c = rsa.encryptByPublic(m);
 39     clock_t finish = clock();
 40 
 41     std::cout << std::fixed;
 42     std::cout.precision(3);
 43     std::cout << "用时: " << (double)(finish-start)/CLOCKS_PER_SEC << "s." << std::endl;
 44     std::cout << "明文: " << m << std::endl;
 45     std::cout << "密文: " << c << std::endl;
 46     return true;
 47 }
 48 
 49 /**
 50  * 函数功能:解密运算
 51  */
 52 bool EncryptDecrypt::decrypt() {
 53     std::string str;
 54     std::cout << "输入16进制数据:" << std::endl;
 55     std::cout << ">";
 56     std::cin >> str;// 输入密文
 57     if (!std::cin || !islegal(str))
 58         return false;
 59     BigInteger c(str);
 60     clock_t start = clock();
 61     BigInteger m = rsa.decryptByPrivate(c);
 62     clock_t finish = clock();
 63 
 64     std::cout << std::fixed;
 65     std::cout.precision(3);
 66     std::cout << "用时: " << (double)(finish-start)/CLOCKS_PER_SEC << "s." << std::endl;
 67     std::cout << "密文: " << c << std::endl;
 68     std::cout << "明文: " << m << std::endl;
 69     return true;
 70 }
 71 
 72 /**
 73  * 函数功能:输出RSA相关信息
 74  */
 75 void EncryptDecrypt::print() {
 76     std::cout << rsa << std::endl;
 77 }
 78 
 79 /**
 80  * 函数功能:重置RSA相关信息
 81  */
 82 void EncryptDecrypt::reset() {
 83     std::cout << "输入密钥长度: ";
 84     int len;
 85     std::cin >> len;
 86     load(len>>1);
 87 }
 88 
 89 /**
 90  * 函数功能:根据给定位数len加载rsa
 91  */
 92 void EncryptDecrypt::load(int len) {
 93     std::cout << "初始化..." << std::endl;
 94     clock_t start = clock();
 95     rsa.init(len);    // 初始化
 96     clock_t finish = clock();
 97     std::cout << "初始化完成." << std::endl;
 98     std::cout << std::fixed;
 99     std::cout.precision(3);
100     std::cout << "用时: " << (double)(finish-start)/CLOCKS_PER_SEC << "s." << std::endl;
101 }
102 
103 /**
104  * 函数功能:判断输入字符串str是否合法
105  * 参数含义:str代表输入的字符串
106  */
107 bool EncryptDecrypt::islegal(const std::string & str) {
108     for (std::string::const_iterator it=str.begin(); it!=str.end(); ++it) {
109         if (!isalnum(*it))    // 不是字母或者数字
110             return false;
111         if (isalpha(*it)) {
112             char ch = tolower(*it);
113             if (ch > 'f')    // 超过十六进制字符'f'
114                 return false;
115         }
116     }
117     return true;
118 }

View Code

2.4 主文件

    该模块就只有一个文件：Main.cpp。主要用于使各个模块结合起来，执行相应操作。

    Main.cpp代码如下。

 1 /**
 2  * @Name    : Main.cpp
 3  * @Date    : 2017-04-11-22.19.24
 4  * @Author  : Silenceneo ([email protected])
 5  * @Link    : http://www.cnblogs.com/Silenceneo-xw/
 6  * @Version : 2.0
 7  */
 8 
 9 #include 
10 #include "EncryptDecrypt.h"
11 
12 int main() {
13     EncryptDecrypt encrypt_decrypt;
14     encrypt_decrypt.reset();// 设置密钥长度
15 
16     char ch;
17     std::string str;
18     bool ok = true;
19 
20     do {
21         encrypt_decrypt.menu();// 菜单显示
22         std::cout << ">";
23         std::cin >> str;
24         if (str.empty()) {
25             std::cout << "输入错误!请重新输入!" << std::endl;
26             continue;
27         }
28         ch = str.at(0);
29         switch(ch) {
30         case 'e':
31         case 'E':
32             if (!encrypt_decrypt.encrypt())
33                 std::cout << "加密失败,请重试!" << std::endl;
34             break;
35         case 'd':
36         case 'D':
37             if (!encrypt_decrypt.decrypt())
38                 std::cout << "解密失败,请重试!" << std::endl;
39             break;
40         case 'p':
41         case 'P':
42             encrypt_decrypt.print();// 打印相关信息
43             break;
44         case 'r':
45         case 'R':
46             encrypt_decrypt.reset();// 重新设置密钥长度
47             break;
48         case 'q':
49         case 'Q':
50             ok = false;    // 退出
51             break;
52         default:
53             break;
54         }
55     } while (ok);
56     return 0;
57 }

View Code

    至此，RSA加密算法已经介绍完毕了，如有任何错误，欢迎指出，不胜感激。

附录

RSA加密算法 Java版本

    附上Java版本的RSA加密算法，仅供参考。

    RSA.java代码如下。

 1 import java.math.BigInteger;
 2 import java.util.Random;
 3 
 4 public class RSA {
 5     public BigInteger n, e;// 公钥
 6     private BigInteger d;// 私钥
 7     private BigInteger p, q;
 8     private BigInteger eul;// n的欧拉函数
 9     
10     /**
11      * 函数功能:初始化RSA对象的相关信息
12      * 参数含义:len表示大素数的二进制位数
13      */
14     public void init(int len) {
15         Random random = new Random();
16         // 产生大素数p和q
17         p = BigInteger.probablePrime(len, random);
18         q = BigInteger.probablePrime(len, random);
19         // 计算出n
20         n = p.multiply(q);
21         // 计算出n的欧拉函数
22         eul = p.subtract(BigInteger.ONE).multiply(q.subtract(BigInteger.ONE));
23         // 设置加解密指数e和d
24         createExponent(eul);
25     }
26 
27     /**
28      * 函数功能:使用公钥进行加密
29      * 参数含义:m表示要加密的明文
30      */
31     public BigInteger encryptByPublic(BigInteger m) {
32         return m.modPow(e, n);
33     }
34     
35     /**
36      * 函数功能:使用私钥进行解密
37      * 参数含义:c表示要解密的密文
38      */
39     public BigInteger decryptByPrivate(BigInteger c) {
40         return c.modPow(d, n);
41     }
42 
43     // 以下主要用于数字签名
44     /**
45      * 函数功能:使用私钥进行加密
46      * 参数含义:m表示要加密的明文
47      */
48     public BigInteger encryptByPrivate(BigInteger m) {
49         return decryptByPrivate(m);
50     }
51     
52     /**
53      * 函数功能:使用公钥进行解密
54      * 参数含义:c表示要解密的密文
55      */
56     public BigInteger decryptByPublic(BigInteger c) {
57         return encryptByPublic(c);
58     }
59     
60     /**
61      * 函数功能:从一个欧拉数中生成公钥、私钥指数
62      * 参数含义:eul表示提供的欧拉数
63      */
64     private void createExponent(BigInteger eul) {
65         // TODO Auto-generated method stub
66         e = new BigInteger("65537");
67         d = e.modInverse(eul);
68     }
69     
70     /**
71      * 函数功能:输出RSA相关数据
72      */
73     public void print() {
74         System.out.println("n: " + n);
75         System.out.println("p: " + p);
76         System.out.println("q: " + q);
77         System.out.println("e: " + e);
78         System.out.println("d: " + d);
79     }
80 }

View Code

    EncryptDecrypt.java代码如下。

  1 import java.math.BigInteger;
  2 import java.util.Scanner;
  3 
  4 public class EncryptDecrypt {
  5     private RSA rsa = new RSA();
  6     public Scanner in = new Scanner(System.in);
  7     
  8     /**
  9      * 函数功能:菜单显示
 10      */
 11     public void menu() {
 12         System.out.println("**********Welcome to use RSA encoder**********");
 13         System.out.println("               e: encrypt 加密               ");
 14         System.out.println("               d: decrypt 解密               ");
 15         System.out.println("               p: print   显示               ");
 16         System.out.println("               r: reset   重置               ");
 17         System.out.println("               q: quit    退出               ");
 18         System.out.println("input your choice:");
 19     }
 20     
 21     /**
 22      * 函数功能:加密运算
 23      */
 24     public boolean encrypt() {
 25         System.out.println("输入10进制数据:");
 26         System.out.print(">");
 27         String str = in.next();
 28         if (str==null || str.isEmpty() || !islegal(str))
 29             return false;
 30         BigInteger m = new BigInteger(str);
 31         long start = System.currentTimeMillis();
 32         BigInteger c = rsa.encryptByPublic(m);
 33         long finish = System.currentTimeMillis();
 34         System.out.println("用时:" + (finish-start) + "ms.");
 35         System.out.println("明文: " + m);
 36         System.out.println("密文: " + c);
 37         return true;
 38     }
 39     
 40     /**
 41      * 函数功能:解密运算
 42      */
 43     public boolean decrypt() {
 44         System.out.println("输入10进制数据:");
 45         System.out.print(">");
 46         String str = in.next();
 47         if (str==null || str.isEmpty() || !islegal(str))
 48             return false;
 49         BigInteger c = new BigInteger(str);
 50         long start = System.currentTimeMillis();
 51         BigInteger m = rsa.decryptByPrivate(c);
 52         long finish = System.currentTimeMillis();
 53         System.out.println("用时:" + (finish-start) + "ms.");
 54         System.out.println("密文: " + c);
 55         System.out.println("明文: " + m);
 56         return true;
 57     }
 58     
 59     /**
 60      * 函数功能:输出RSA相关信息
 61      */
 62     public void print() {
 63         rsa.print();
 64     }
 65     
 66     /**
 67      * 函数功能:重置RSA相关信息
 68      */
 69     public void reset() {
 70         System.out.print("输入密钥长度: ");
 71         int len = in.nextInt();
 72         load(len>>1);
 73     }
 74 
 75     /**
 76      * 函数功能:根据给定位数len加载rsa
 77      */
 78     private void load(int len) {
 79         // TODO Auto-generated method stub
 80         System.out.println("初始化...");
 81         long start = System.currentTimeMillis();
 82         rsa.init(len);
 83         long finish = System.currentTimeMillis();
 84         System.out.println("初始化完成.");
 85         System.out.println("用时:" + (finish-start) + "ms.");
 86     }
 87 
 88     /**
 89      * 函数功能:判断输入字符串str是否合法
 90      * 参数含义:str代表输入的字符串
 91      */
 92     private boolean islegal(String str) {
 93         // TODO Auto-generated method stub
 94         for (int i = 0; i < str.length(); i++) {
 95             char ch = str.charAt(i);
 96             if (!Character.isDigit(ch)) {
 97                 return false;
 98             }
 99         }
100         return true;
101     }
102 }

View Code

    Main.java代码如下。

 1 public class Main {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         // TODO Auto-generated method stub
 5         EncryptDecrypt encryptDecrypt = new EncryptDecrypt();
 6         encryptDecrypt.reset();
 7 
 8         do {
 9             encryptDecrypt.menu();
10             System.out.print(">");
11             String str = encryptDecrypt.in.next();
12             if (str==null || str.isEmpty()) {
13                 System.out.println("输入错误,请重新输入!");
14                 continue;
15             }
16             char ch = str.charAt(0);
17             switch(ch) {
18             case 'e':
19             case 'E':
20                 if (!encryptDecrypt.encrypt()) {
21                     System.out.println("加密失败,请重试!");
22                 }
23                 break;
24             case 'd':
25             case 'D':
26                 if (!encryptDecrypt.decrypt()) {
27                     System.out.println("解密失败,请重试!");
28                 }
29                 break;
30             case 'p':
31             case 'P':
32                 encryptDecrypt.print();
33                 break;
34             case 'r':
35             case 'R':
36                 encryptDecrypt.reset();
37                 break;
38             case 'q':
39             case 'Q':
40                 encryptDecrypt.in.close();
41                 System.exit(0);
42                 break;
43             default:
44                 break;
45             }
46         } while (true);
47     }
48 
49 }

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