数据加密--详解 RSA加密算法 原理与实现

RSA是最流行的非对称加密算法之一。也被称为公钥加密。它是由罗纳德·李维斯特(Ron Rivest)、阿迪·萨莫尔(Adi Shamir)和伦纳德·阿德曼(Leonard Adleman)在1977年一起提出的。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。

RSA是非对称的,也就是用来加密的密钥和用来解密的密钥不是同一个。

和DES一样的是,RSA也是分组加密算法,不同的是分组大小可以根据密钥的大小而改变。如果加密的数据不是分组大小的整数倍,则会根据具体的应用方式增加额外的填充位。

RSA作为一种非对称的加密算法,其中很重要的一特点是当数据在网络中传输时,用来加密数据的密钥并不需要也和数据一起传送。因此,这就减少了密钥泄露的可能性。RSA在不允许加密方解密数据时也很有用,加密的一方使用一个密钥,称为公钥,解密的一方使用另一个密钥,称为私钥,私钥需要保持其私有性。

RSA被认为是非常安全的,不过计算速度要比DES慢很多。同DES一样,其安全性也从未被证明过,但想攻破RSA算法涉及的大数(至少200位的大数)的因子分解是一个极其困难的问题。所以,由于缺乏解决大数的因子分解的有效方法,因此,可以推测出目前没有有效的办法可以破解RSA。

RSA算法基于的原理,基本上来说,加密和解密数据围绕着模幂运算,这是取模计算中的一种。取模计算是整数计算中的一种常见形式。x mod n的结果就是x / n的余数。比如,40 mod 13 = 1,因为40 / 13 = 3,余数为1。模幂运算就是计算ab mod n的过程。

计算公钥和私钥

RSA中的公钥和私钥需要结合在一起工作。公钥用来对数据块加密,之后 ,只有对应的私钥才能用来解密。生成密钥时,需要遵循几个步骤以确保公钥和私钥的这种关系能够正常工作。这些步骤也确保没有实际方法能够从一个密钥推出另一个。

开始前,首先要选择两个大的素数,记为p和q。根据当今求解大数因子的技术水平,这两个数应该至少有200位,这们在实践中才可以认为是安全的。

然后,开始计算n:

n = pq

接下来,选择一个小的奇数e,它将成为公钥的一部分。选择e最需要考虑的重点是它与(p-1)(q-1)不能有相同的因子。换句话说,e与(p-1)(q-1)是互为素数关系的。比如,如果p=11而q=19,那么n=11 X 19=209。这里选择e=17,因为(p-1)(q-1)=10 X 18 =180,而17和180没有相同的因子。通常选择3、17、65、537作为e的值。使用这些值不会对RSA的安全性造成影响,因为解密数据还需要用到私钥。

一旦为e选择了一个值,接下来开始计算相对应的值d,d将成为私钥的一部分。d的值就是计算e的倒数对(p-1)(q-1)的取模结果,公式如下:

d = e-1 mod (p-1)(q-1)

这里d和e是模乘法逆元的关系。

思考一下这个问题:当d为多少时可以满足ed mod (p-1)(q-1) = 1 ?比如在等式 17d mod 180 = 1中,d的一个可能值是53。其他的可能值是233、413、593等。在实践中,可以利用欧几里德算法来计算模乘法逆元。这里就不再展开。

现在有了e和d的值,将(e,n)作为公钥P将(d,n)作为私钥S并保持其不可见。表示为:

P = (e,n) , S = (d,n)

加密方使用P来加密数据,解密方使用S来解密。为了防止就算有人知道了P也无法推算出S,必须保证p和q的值绝对不能暴露

P和S结合在一起提供的安全性来自于一个事实,那就是乘法是一种很好的单向函数。

单向函数是加密技术的基础简单的说,单向函数就是在一个方向上能够很容易算出结果,但反向推导则是不切实际的。比如,在RSA算法中,计算p和q的成绩是一种单向函数,因为尽管计算p和q的成绩很容易,但将n反向因子分解为p和q则是极其耗时的。这里,选择的p和q的值要足够大才可以。

计算P和S的步骤起源于欧拉函数中的一些有趣性质。特别是,这些性质允许对模幂运算做一些有用的操作。

欧拉函数记为φ(n),定义所有小于n的正整数里和n互素的整数的个数

只有当两个整数的唯一公因子为1时,才说这两个整数是互素的。例如,φ(8)=4,因为一共只用4个比8小的整数是互素的,它们是1,3,5,7。

欧拉方程有两个性质对RSA算法来说是特别重要的。

第一,当n是素数时,φ(n)=n-1。这是由于n的唯一因子是1和n,因此,n与之前的所有n-1个正整数都是互素的。

另一个有趣的性质是对于任意小于n且与n互素的正整数a,都有aφ(n) mod n = 1。例如,14 mod 8 = 1, 34 mod 8 = 1, 54 mod 8 = 1, 74 mod 8 = 1。对上述方程两边都乘以a,得到:

(a)(aφ(n) mod n)=a,或者aφ(n)+1 mod n = a

因此,可以得到15 mod 8 = 1, 35 mod 8 = 3, 55 mod 8 = 5, 75 mod 8 = 7。

调整之后得到的等式非常强大。因为对于某些等式c = me mod n,该等于可以让我们找出一个d的值,使得cd mod n = m。

这就是RSA算法中允许加密数据,之后再解密回原文的恒等式。可以按照如下方式表示:

cd mod n = (me)d mod n = med mod n = mφ(n)+1 mod n = m mod n

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