非对称加密、解密原理及openssl中的RSA示例代码

一、【原理简介】非对称加密

非对称加密，也被称为公钥加密，其中使用一对相关的密钥：一个公钥和一个私钥。公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。公钥可以公开分享，而私钥必须保密。

1. 密钥生成:

   • 当一个用户或设备希望使用非对称加密时，它首先会生成一对密钥：一个公钥和一个私钥。这两个密钥是数学上相关的，但从公钥中计算出私钥在计算上是不可行的。

2. 加密过程:

   • 发送方使用接收方的公钥对消息进行加密。只有持有与那个公钥相对应的私钥的人（在这种情况下是接收方）才能解密这个消息。

3. 解密过程:

   • 接收方使用其私钥对接收到的加密消息进行解密，以恢复原始消息。

4. 安全性:

   • 即使攻击者知道公钥并且他们拦截了加密的消息，但由于他们没有私钥，所以他们不能解密那个消息。这提供了保密性。
   • 由于私钥不是公开的，因此无法用它来伪造加密的消息。

5. 数字签名:

   • 除了保密性外，非对称加密还可以用于数字签名。发送方使用其私钥对消息的哈希进行加密，产生一个数字签名。
   • 接收方可以使用发送方的公钥来验证签名，确保消息是从发送方发出的，并且没有被修改。

6. 主要算法:

   • RSA、ElGamal、ECC（椭圆曲线加密）是非对称加密的主要算法。

7. 性能问题:

   • 与对称加密相比，非对称加密通常计算上更加昂贵，所以它在处理大量数据时可能不太实用。在实际场景中，经常使用非对称加密来交换一个对称密钥（如AES密钥），然后使用对称加密来加密实际的数据。

8. 公钥基础设施（PKI）:

   • PKI是一个结合硬件、软件、策略和标准，以实现公钥加密和数字签名服务的体系结构。它包括证书颁发机构（CA），负责颁发和验证数字证书。

总结：非对称加密使用一对密钥来确保数据的安全性和完整性。公钥用于加密，而私钥用于解密或签名。

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二、【代码】生成秘钥对文件 和 读取秘钥对加密、加密

• example 1 生成秘钥对

#include 
#include 
#include 

/* compile : gcc createRSA_KeyPair.c -I./include -L./lib -lcrypto -Wl,-rpath=./lib  */
int main() {
    int ret = 0;
    RSA *r = NULL;
    BIGNUM *bne = NULL;
    int bits = 2048;
    unsigned long e = RSA_F4;

    // 1. 生成 RSA 密钥对
    bne = BN_new();
    ret = BN_set_word(bne, e);
    if(ret != 1) {
        goto free_all;
    }

    r = RSA_new();
    ret = RSA_generate_key_ex(r, bits, bne, NULL);
    if(ret != 1) {
        goto free_all;
    }

    // 2. 保存私钥到 PEM 文件
    FILE *fp = fopen("private_key.pem", "wb");
    if(fp == NULL) {
        perror("Unable to open private key file for writing");
        goto free_all;
    }
    PEM_write_RSAPrivateKey(fp, r, NULL, NULL, 0, NULL, NULL);
    fclose(fp);

    // 3. 保存公钥到 PEM 文件
    fp = fopen("public_key.pem", "wb");
    if(fp == NULL) {
        perror("Unable to open public key file for writing");
        goto free_all;
    }
    PEM_write_RSA_PUBKEY(fp, r);
    fclose(fp);

free_all:
    RSA_free(r);
    BN_free(bne);

    return 0;
}

• example 2 使用秘钥对加密、解密

#include 
#include 
#include 

/* compile : gcc keyFromFile.c -I./include -L./lib -lcrypto -Wl,-rpath=./lib  */
int main() {
    // 加载公钥
    FILE* pubKeyFile = fopen("public_key.pem", "rb");
    RSA* rsaPublicKey = PEM_read_RSA_PUBKEY(pubKeyFile, NULL, NULL, NULL);
    fclose(pubKeyFile);

    // 加载私钥
    FILE* privKeyFile = fopen("private_key.pem", "rb");
    RSA* rsaPrivateKey = PEM_read_RSAPrivateKey(privKeyFile, NULL, NULL, NULL);
    fclose(privKeyFile);

    const char* plainText = "Hello, OpenSSL!";
    char encrypted[4098] = {};
    char decrypted[4098] = {};

    // 使用公钥加密
    int encryptedLength = RSA_public_encrypt(strlen(plainText), (unsigned char*)plainText,
                                             (unsigned char*)encrypted, rsaPublicKey, RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);
    if (encryptedLength == -1) {
        printf("Public Encrypt failed \n");
        return 0;
    }

    // 使用私钥解密
    int decryptedLength = RSA_private_decrypt(encryptedLength, (unsigned char*)encrypted,
                                              (unsigned char*)decrypted, rsaPrivateKey, RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);
    if (decryptedLength == -1) {
        printf("Private Decrypt failed \n");
        return 0;
    }
    decrypted[decryptedLength] = '\0';

    printf("Original: %s\n", plainText);
    printf("Decrypted: %s\n", decrypted);

    RSA_free(rsaPublicKey);
    RSA_free(rsaPrivateKey);

    return 0;
}

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三、【代码】代码内生成秘钥对并加密解密

• c风格

#include 
#include 
#include 
#include 

/* compile : gcc RSA.c -I./include -L./lib -lcrypto -Wl,-rpath=./lib */
int main() {
    // 1. create key
    int ret = 0;
    RSA *rsa = NULL;
    BIGNUM *bne = NULL;
    int bits = 2048;
    unsigned long e = RSA_F4;
    bne = BN_new();
    ret = BN_set_word(bne, e);
    if(ret != 1) {
        goto free_all;
    }

    rsa = RSA_new();
    ret = RSA_generate_key_ex(rsa, bits, bne, NULL);
    if(ret != 1) {
        goto free_all;
    }

    // 2. encrypto
    const char* plainText = "Hello, OpenSSL!";
    char encrypted[4098] = {};
    int encryptedLength = RSA_public_encrypt(strlen(plainText) + 1, (unsigned char*)plainText,
                                             (unsigned char*)encrypted, rsa, RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);
    if(encryptedLength == -1) {
        printf("Public Encrypt failed \n");
        goto free_all;
    }

    // 3. decrypto
    char decrypted[4098] = {};
    int decryptedLength = RSA_private_decrypt(encryptedLength, (unsigned char*)encrypted,
                                              (unsigned char*)decrypted, rsa, RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);
    if(decryptedLength == -1) {
        printf("Private Decrypt failed \n");
        goto free_all;
    }
    decrypted[decryptedLength] = '\0';

    printf("Original: %s\n", plainText);
    printf("Decrypted: %s\n", decrypted);

free_all:
    RSA_free(rsa);
    BN_free(bne);

    return 0;
}

• C++风格

#include 
#include 
#include 

extern "C"{
#include 
#include 
}

class RSAWrapper {
public:
    RSAWrapper() {
        rsa = RSA_new();
        bne = BN_new();
        BN_set_word(bne, RSA_F4);
        RSA_generate_key_ex(rsa, 2048, bne, nullptr);
    }

    ~RSAWrapper() {
        RSA_free(rsa);
        BN_free(bne);
    }

    std::vector<unsigned char> encrypt(const std::string &plainText) {
        std::vector<unsigned char> encrypted(RSA_size(rsa));
        int encryptLength = RSA_public_encrypt(plainText.size(),
                                               reinterpret_cast<const unsigned char*>(plainText.c_str()),
                                               encrypted.data(),
                                               rsa,
                                               RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);
        if (encryptLength == -1) {
            throw std::runtime_error("Error during encryption");
        }
        return encrypted;
    }

    std::string decrypt(const std::vector<unsigned char> &cipherText) {
        std::vector<unsigned char> decrypted(RSA_size(rsa));
        int decryptLength = RSA_private_decrypt(cipherText.size(),
                                                cipherText.data(),
                                                decrypted.data(),
                                                rsa,
                                                RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);
        if (decryptLength == -1) {
            throw std::runtime_error("Error during decryption");
        }
        return std::string(reinterpret_cast<char*>(decrypted.data()));
    }

private:
    RSA *rsa;
    BIGNUM *bne;
};


/* compile : g++ -std=c++11  RSA.cpp -I./include -L./lib -lcrypto -Wl,-rpath=./lib */
int main() {
    try {
        RSAWrapper rsaWrapper;
        std::string plainText = "Hello, OpenSSL C++!";
        auto encrypted = rsaWrapper.encrypt(plainText);
        auto decrypted = rsaWrapper.decrypt(encrypted);

        std::cout << "Original Text: " << plainText << std::endl;
        std::cout << "Decrypted Text: " << decrypted << std::endl;

    } catch (const std::exception &e) {
        std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}