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非对称加密之-RSA加密

非对称加密之-RSA加密

作者: MengkZhang | 来源:发表于2019-07-24 23:49 被阅读0次

    对一个大整数进行因数分解,在高等数学中叫做费马大定理,至今没有被破解
    RSA算法是最流行的公钥密码算法,使用长度可以变化的密钥。RSA是第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法。

    这是目前地球上最重要的加密算法

    原理

    1.随机选择两个大质数p和q,p不等于q,计算n=pq;
    2,计算p,q的欧拉函数φ(n) = (p-1)(q-1)
    3.随机选择一个整数e,条件是1< e < φ(n),且e与φ(n) 互质。(实际应用中,常常选择65537。)
    4.用公式计算出d:计算e对于φ(n)的模反元素d。(最终转换成二元一次方程解出d)

    至此,所有计算完成。
    n和e封装成公钥n和d封装成私钥

    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?

    最终转换成->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。

    使用

    第一步:首先生成秘钥对

       /**
         * 随机生成RSA密钥对
         *
         * @param keyLength 密钥长度,范围:512~2048
         *                  一般1024
         * @return
         */
        public static KeyPair generateRSAKeyPair(int keyLength) {
            try {
                KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(RSA);
                kpg.initialize(keyLength);
                return kpg.genKeyPair();
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
        }
    

    第二步:公钥加密

     /**
         * 用公钥对字符串进行加密
         *
         * @param data 原文
         */
        public static byte[] encryptByPublicKey(byte[] data, byte[] publicKey) throws Exception {
            // 得到公钥
            X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
            KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance(RSA);
            PublicKey keyPublic = kf.generatePublic(keySpec);
            // 加密数据
            Cipher cp = Cipher.getInstance(ECB_PKCS1_PADDING);
            cp.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keyPublic);
            return cp.doFinal(data);
        }
    

    第三步:私钥解密

     /**
         * 使用私钥进行解密
         */
        public static byte[] decryptByPrivateKey(byte[] encrypted, byte[] privateKey) throws Exception {
            // 得到私钥
            PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
            KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance(RSA);
            PrivateKey keyPrivate = kf.generatePrivate(keySpec);
    
            // 解密数据
            Cipher cp = Cipher.getInstance(ECB_PKCS1_PADDING);
            cp.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keyPrivate);
            byte[] arr = cp.doFinal(encrypted);
            return arr;
        }
    

    几个全局变量解说:

        public static final String RSA = "RSA";// 非对称加密密钥算法
        public static final String ECB_PKCS1_PADDING = "RSA/ECB/PKCS1Padding";//加密填充方式
        public static final int DEFAULT_KEY_SIZE = 2048;//秘钥默认长度
        public static final byte[] DEFAULT_SPLIT = "#PART#".getBytes();    // 当要加密的内容超过bufferSize,则采用partSplit进行分块加密
        public static final int DEFAULT_BUFFERSIZE = (DEFAULT_KEY_SIZE / 8) - 11;// 当前秘钥支持加密的最大字节数
    

    关于加密填充方式:之前以为上面这些操作就能实现rsa加解密,以为万事大吉了,呵呵,这事还没完,悲剧还是发生了, Android这边加密过的数据,服务器端死活解密不了, \color{red}{原来android系统的RSA实现是"RSA/None/NoPadding",} \color{red}{而标准JDK实是"RSA/None/PKCS1Padding",},这造成了在android机上加密后无法在服务器上解密的原因,所以在实现的时候这个一定要注意

    实现分段加密:搞定了填充方式之后又自信的认为万事大吉了,可是意外还是发生了,RSA非对称加密内容长度有限制,1024位key的最多只能加密127位数据,否则就会报错(javax.crypto.IllegalBlockSizeException: Data must not be longer than 117 bytes) , RSA 是常用的非对称加密算法。最近使用时却出现了“不正确的长度”的异常,研究发现是由于待加密的数据超长所致。RSA 算法规定:待加密的字节数不能超过密钥的长度值除以 8 再减去 11(即:KeySize / 8 - 11),而加密后得到密文的字节数,正好是密钥的长度值除以 8(即:KeySize / 8)。

    原理举例详解

    • 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)。

    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)。

    实际应用中,公钥和私钥的数据都采用ASN.1格式表达

    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。
      假如有人找到一种快速因数分解的算法,那么RSA的可靠性就会极度下降。但找到这样的算法的可能性是非常小的。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。
      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。"

    举例来说,你可以对3233进行因数分解(61×53),但是你没法对下面这个整数进行因数分解。

    12301866845301177551304949
    58384962720772853569595334
    79219732245215172640050726
    36575187452021997864693899
    56474942774063845925192557
    32630345373154826850791702
    61221429134616704292143116
    02221240479274737794080665
    351419597459856902143413

    它等于这样两个质数的乘积

    33478071698956898786044169
    84821269081770479498371376
    85689124313889828837938780
    02287614711652531743087737
    814467999489
        ×
    36746043666799590428244633
    79962795263227915816434308
    76426760322838157396665112
    79233373417143396810270092
    798736308917

    事实上,RSA加密的方式原理是一个高等数学中没有被解决的难题,所有没有可靠的RSA的破解方式

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