【密码学】RSA破解方法汇总（PYTHON实现）

源自于密码学的一次大作业~

RSA破解

Alice使用的RSA密码体制，有以下事项需要说明：

1） 模数=规模为1024比特，其中，为素数；

2）每次加密最多8个明文字符；

3） 明文超过8个字符时，对明文分片，每个分片不超过8个字符；

4） 分片明文填充为512比特消息后再进行加密，填充规则为高位添加64比特标志位，随后加上32比特通信序号，再添加若干个0，最后64比特为明文分片字符对应的ASCII码（注：填充方式参见加密案例，但注意每次通信的标志位可能变化）；

5)分片加密后发送一个加密帧数据，帧数据文件名称为FrameXX，其中XX表示接收序号，该序号不一定等于通信序号；

6） 帧数据的数据格式如下，其中数据都是16进制表示，结构如下

1024bit模数N|1024bit加密指数e|1024bit密文。

7） 由于Alice初次使用该软件，可能会重复发送某一明文分片。

请您尝试恢复每个帧数据的p和q，以及明文M

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输入：若干帧文件

文件的格式： 1024bit模数 N | 1024bit加密指数 e | 1024bit密文

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一、低指数攻击——中国剩余定理

题目

给定五个密文，存在五个文件中，这5个密文（都是16进制）是同一明文m用RSA算法模不同N得到的，加密指数e=5(即公钥为5)，每个密文的格式： 1024bit模数 N | 1024bit加密指数 e | 1024bit密文。请利用中国剩余定理恢复明文m (求解5个同余方程的同余方程组)

from mpmath import mp
import gmpy2
import functools

def chinese_remainder_theorem(n, a):
    # n 是模数列表，a 是同余方程组的余数列表
    # 求模数的积
    N = functools.reduce(gmpy2.mul, n)  # 使用 functools.reduce 计算乘积
    # 求每个模数 Ni 和 Ni 在模数 n 中的商 si 和余数 ti
    x = 0
    for ni, ai in zip(n, a):
        si = N // ni
        ti = gmpy2.invert(si, ni)
        xi = gmpy2.mul(gmpy2.mul(si, ti), ai)  # 分别计算 si * ti 和结果再与 ai 相乘
        x = gmpy2.add(x, xi)
    # 将 x 转化为模数为 N 的余数，作为最小非负整数解
    return x % N

# 示例输入
a = []
n = []
f=[]
f.append(r'file1')
f.append(r'file2')
f.append(r'file3')
f.append(r'file4')
f.append(r'file5')

for file_path in f:
    # 读取数据
    with open(file_path, 'r') as f:
        data = f.read().strip()

    # 解析数据
    hex_length = len(data) // 3
    N = int(data[:hex_length], 16)
    e = int(data[hex_length:2*hex_length], 16)
    ct = int(data[2*hex_length:], 16)

    # 打印数据
    # print(f"Modulus N: {N}\\n")
    # print(f"Public exponent e: {e}\\n")
    # print(f"Ciphertext: {ct}\\n")
    n.append(N)
    a.append(ct)
mp.dps=1000
nn = [gmpy2.mpz(i) for i in n]  # 模数列表
aa = [gmpy2.mpz(i) for i in a]  # 同余方程组的余数列表
m = chinese_remainder_theorem(n, a)
res,exa=gmpy2.iroot(gmpy2.mpz(m),5)

def parse_8_pairs_16_bytes(s):
    # 将字符串截取为最后 16 个字节
    bytes_16 = s[-16:]
    # 定义一个空列表，用于保存解析出的字符对
    pairs = []
    # 分组解析每两个字节
    for i in range(0, 16, 2):
        byte1, byte2 = bytes_16[i], bytes_16[i + 1]
        char1 = chr(int(byte1 + byte2, 16))
        pairs.append((char1,))
    # 将所有字符对连接起来，并返回字符串
    return ''.join(char for pair in pairs for char in pair)
print(hex(res))
print(parse_8_pairs_16_bytes(hex(res)))

二、费马分解

摘自 RSA-p和q挨得很近(费马分解)_rsa费马分解_爱码蔡蔡子的博客-CSDN博客

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1.p,q为邻居素数

p，q是两个素数，而且他俩在素数序列里面就是一前一后的关系。所以我们要把他俩的乘积开根号得到的结果一定是在p，q之间的一个数字，（而且一定不是素数，因为p，q就是紧邻的两个素数）。那我们找这个开方出来的数字的下一个素数，一定是q，因此我们再让n/q就可以得到两个素数

示例：

'''生成两个挨得近的素数p，q'''
p = getPrime(512)
q = gmpy2.next_prime(p)
n=p*q
print(p)
print(q)
print(n)
 
'''开始破解'''
# gmpy2的iroot函数，这个函数专门用来进行大数开根号，gmpy2.iroot(n,t)。
# n是大整数，t是幂次。
temp=gmpy2.iroot(n,2)[0]  
p=gmpy2.next_prime(temp)
q=n//p
print(p)
print(q)

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2.平方差遍历法

令a是n的"中间值"sqrt(n),然后让a以步长为1自增遍历，直到pow(a,2)-n的结果可以正好开方为止。那个结果开方就是b。

$$ p=a-b;q=a+b;n=pq=a^2-b^2 $$

$$ b^2=a^2-n $$

因此，可以令a的初始值为sqrt(n)，不断增大a直至满足上述条件即可

示例：

'''生成两个挨得近的素数p，q'''
p = getPrime(512)
q = gmpy2.next_prime(p)
n=p*q
print(p)
print(q)
print(n)

print('开始破解')
'''开始破解'''
a=gmpy2.iroot(n,2)[0]
while 1:   #破解出来一组就行了，一般也就一组，挨得很近的话很快就出来了，如果长时间还没出来就可以换方法了，不要指望着他遍历所有的，到死也弄不完。
    B2=pow(a,2)-n
    a+=1
    if gmpy2.is_square(B2):
        b=gmpy2.iroot(B2,2)[0]
        p=a+b
        q=a-b
        print(p)
        print(q)
        break

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题目

给定密文的格式： 1024bit模数 N | 1024bit加密指数 e | 1024bit密文。已知密文产生的RSA算法中的pq很接近

import gmpy2
import gmpy2

def fermat_factorization(n):
    a = gmpy2.isqrt(n) + 1  # 取 n 的平方根并向上取整
    b2 = a * a - n

    while not gmpy2.is_square(b2):
        # 迭代计算直到 b2 是一个完全平方数
        a += 1
        b2 = a * a - n

    p = a + gmpy2.isqrt(b2)
    q = a - gmpy2.isqrt(b2)
    return p, q
f=[]
f.append(r'file1')
f.append(r'file2')

for file_path in f:
    # 读取数据
    with open(file_path, 'r') as f:
        data = f.read().strip()

    # 解析数据
    hex_length = len(data) // 3
    n = gmpy2.mpz(int(data[:hex_length], 16))
    e = int(data[hex_length:2*hex_length], 16)
    ct = int(data[2*hex_length:], 16)

    # # 打印数据
    # print(f"================================\\nModulus N: {n}\\n")
    # print(f"Public exponent e: {e}\\n")
    # print(f"Ciphertext: {ct}\\n")
    # input()

    p, q = fermat_factorization(n)

    if p is None or q is None:
        print("无法分解质因数")
    else:
        print("质因数分解结果:")
        print("p =", p)
        print("q =", q)
    d=gmpy2.invert(e,(q-1)*(p-1))
    m=gmpy2.powmod(ct,d,n)
    def parse_8_pairs_16_bytes(s):
        # 将字符串截取为最后 16 个字节
        bytes_16 = s[-16:]
        # 定义一个空列表，用于保存解析出的字符对
        pairs = []
        # 分组解析每两个字节
        for i in range(0, 16, 2):
            byte1, byte2 = bytes_16[i], bytes_16[i + 1]
            char1 = chr(int(byte1 + byte2, 16))
            pairs.append((char1,))
        # 将所有字符对连接起来，并返回字符串
        return ''.join(char for pair in pairs for char in pair)
    print(hex(m))
    print(parse_8_pairs_16_bytes(hex(m)))

三、共模攻击

【密码学RSA】共模攻击原理详解_已知e1*e2的共模攻击题_rsa共模攻击原理-CSDN博客

RSA共模攻击(包括原理)-CSDN博客

共模是指：就是明文m,相同。用两个公钥e1,e2加密得到两个私钥d1,d2 和两个密文c1,c2

共模攻击，即当m不变的情况下，知道n,e1,e2,c1,c2, 可以在不知道d1,d2的情况下，解出m

利用条件为=> gcd(e1,e2)=1

def hack(n, c1, c2, e1, e2):
    def egcd(a, b):
        if b == 0:
            return a, 0
        else:
            x, y = egcd(b, a % b)
            return y, x - (a // b) * y
    s = egcd(e1, e2)
    s1 = s[0]
    s2 = s[1]

    # 求模反元素
    if s1 < 0:
        s1 = - s1
        c1 = invert(c1, n)
    elif s2 < 0:
        s2 = - s2
        c2 = invert(c2, n)
    m = pow(c1, s1, n) * pow(c2, s2, n) % n
    return m

from gmpy2 import invert
def hack(n, c1, c2, e1, e2):
    def egcd(a, b):
        if b == 0:
            return a, 0
        else:
            x, y = egcd(b, a % b)
            return y, x - (a // b) * y
    s = egcd(e1, e2)
    s1 = s[0]
    s2 = s[1]

    # 求模反元素
    if s1 < 0:
        s1 = - s1
        c1 = invert(c1, n)
    elif s2 < 0:
        s2 = - s2
        c2 = invert(c2, n)
    m = pow(c1, s1, n) * pow(c2, s2, n) % n
    return m

f1=r'file1'
f2=r'file2'

# 读取数据
with open(f1, 'r') as f:
    data = f.read().strip()
# 解析数据
hex_length = len(data) // 3
n1 = int(data[:hex_length], 16)
e1 = int(data[hex_length:2*hex_length], 16)
c1 = int(data[2*hex_length:], 16)
f.close()

# 读取数据
with open(f2, 'r') as f:
    data = f.read().strip()
# 解析数据
hex_length = len(data) // 3
n2 = int(data[:hex_length], 16)
e2 = int(data[hex_length:2*hex_length], 16)
c2 = int(data[2*hex_length:], 16)
f.close()

if n1==n2:
    m=hack(n1,c1,c2,e1,e2)
# print("m={}".format(hex(m)))
def parse_8_pairs_16_bytes(s):
    # 将字符串截取为最后 16 个字节
    bytes_16 = s[-16:]
    # 定义一个空列表，用于保存解析出的字符对
    pairs = []
    # 分组解析每两个字节
    for i in range(0, 16, 2):
        byte1, byte2 = bytes_16[i], bytes_16[i + 1]
        char1 = chr(int(byte1 + byte2, 16))
        pairs.append((char1,))
    # 将所有字符对连接起来，并返回字符串
    return ''.join(char for pair in pairs for char in pair)
print(hex(m))
print(parse_8_pairs_16_bytes(hex(m)))

四、rho、rho p-1分解pq

【快速因数分解】Pollard's Rho 算法 - Koshkaaa (cnblogs.com)

import gmpy2
from gmpy2 import mpz
import random
import time

# Rho算法
def rho(n, timeout=3):
    if n % 2 == 0:
        return 2
    start_time = time.time()
    while True:
        if time.time() - start_time > timeout:  # 超时处理,替换判环
            return None
        x, y, c, d = random.randint(1, n-1), random.randint(1, n-1), random.randint(1, n-1), 1
        f = lambda x: (x * x + c) % n
        while d == 1:
            x = f(x)
            y = f(f(y))
            d = gmpy2.gcd(abs(x-y), n)
        if d != n:
            return d

f=[]
f.append(r'file1')
f.append(r'file2')

for file_path in f:
    # 读取数据
    with open(file_path, 'r') as f:
        data = f.read().strip()

    # 解析数据
    hex_length = len(data) // 3
    n = int(data[:hex_length], 16)
    e = int(data[hex_length:2*hex_length], 16)
    ct = int(data[2*hex_length:], 16)

    p = rho(n)
    while p is None:  # 超时，重新选择随机数
        p = rho(n)
    q=n//p
    d=gmpy2.invert(e,(q-1)*(p-1))
    m=gmpy2.powmod(ct,d,n)

    def parse_8_pairs_16_bytes(s):
        # 将字符串截取为最后 16 个字节
        bytes_16 = s[-16:]
        # 定义一个空列表，用于保存解析出的字符对
        pairs = []
        # 分组解析每两个字节
        for i in range(0, 16, 2):
            byte1, byte2 = bytes_16[i], bytes_16[i + 1]
            char1 = chr(int(byte1 + byte2, 16))
            pairs.append((char1,))
        # 将所有字符对连接起来，并返回字符串
        return ''.join(char for pair in pairs for char in pair)
    print(hex(m))
    print(parse_8_pairs_16_bytes(hex(m)))

# rho p-1
import math
import random
import time
import gmpy2

def rho_pminus1(n, B, timeout=10):
    a = 2
    start_time = time.time()
    # 计算 a^q-1
    for q in range(2, B+1):
        if (time.time() - start_time) > timeout:  # 超时处理,替换判环
            return None
        a = pow(a, q, n)
    # 计算 a^q-1 和 n 的最大公约数
    d = math.gcd(a - 1, n)
    if d > 1 and d < n:
        return d
    return None

def factorize_large_number(n, B, timeout=10):
    factors = []
    while n > 1:
        p = rho_pminus1(n, B, timeout)
        if p is None:
            factors.append(n)  # 无法找到质因数，将n作为一个质因数
            break
        else:
            factors.append(p)
            n //= p
    return factors

# 指数的范围B和超时时间
B = 100000
timeout = 10

# 读取数据
with open(r'file1', 'r') as f:
    data = f.read().strip()

# 解析数据
hex_length = len(data) // 3
n = int(data[:hex_length], 16)
e = int(data[hex_length:2*hex_length], 16)
ct = int(data[2*hex_length:], 16)

# 分解非常大的数
factors = factorize_large_number(n, B, timeout)

p,q=factors
d=gmpy2.invert(e,(q-1)*(p-1))
m=gmpy2.powmod(ct,d,n)
def parse_8_pairs_16_bytes(s):
    # 将字符串截取为最后 16 个字节
    bytes_16 = s[-16:]
    # 定义一个空列表，用于保存解析出的字符对
    pairs = []
    # 分组解析每两个字节
    for i in range(0, 16, 2):
        byte1, byte2 = bytes_16[i], bytes_16[i + 1]
        char1 = chr(int(byte1 + byte2, 16))
        pairs.append((char1,))
    # 将所有字符对连接起来，并返回字符串
    return ''.join(char for pair in pairs for char in pair)
print(hex(m))
print(parse_8_pairs_16_bytes(hex(m)))