本文作者：一起剥坚果

　　作者： 阮一峰

　　上一次，我介绍了一些数论知识。

　　有了这些知识，我们就可以看懂RSA算法。这是目前地球上最重要的加密算法。



　　六、密钥生成的步骤

　　我们通过一个例子，来理解RSA算法。假设爱丽丝要与鲍勃进行加密通信，她该怎么生成公钥和私钥呢？



　　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?(n)。

　　根据公式：

　　?(n) = (p-1)(q-1)

　　爱丽丝算出?(3233)等于60×52，即3120。

　　第四步，随机选择一个整数e，条件是1< e < ?(n)，且e与?(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?(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?(n)除的余数为1。

　　ed ≡ 1 (mod ?(n))

　　这个式子等价于

　　ed - 1 = k?(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 + ?(n)y = 1

　　已知 e=17, ?(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（实例）。

　　七、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：

　　?(n)

　　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 ?(n))。只有知道e和?(n)，才能算出d。

　　（2）?(n)=(p-1)(q-1)。只有知道p和q，才能算出?(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，这大概是人类已经分解的最大整数（232个十进制位，768个二进制位）。比它更大的因数分解，还没有被报道过，因此目前被破解的最长RSA密钥就是768位。

　　八、加密和解密

　　有了公钥和密钥，就能进行加密和解密了。

　　（1）加密要用公钥 (n,e)

　　假设鲍勃要向爱丽丝发送加密信息m，他就要用爱丽丝的公钥 (n,e) 对m进行加密。这里需要注意，m必须是整数（字符串可以取ascii值或unicode值），且m必须小于n。

　　所谓"加密"，就是算出下式的c：

　　me ≡ c (mod n)

　　爱丽丝的公钥是 (3233, 17)，鲍勃的m假设是65，那么可以算出下面的等式：

　　6517 ≡ 2790 (mod 3233)

　　于是，c等于2790，鲍勃就把2790发给了爱丽丝。

　　（2）解密要用私钥(n,d)

　　爱丽丝拿到鲍勃发来的2790以后，就用自己的私钥(3233, 2753) 进行解密。可以证明，下面的等式一定成立：

　　cd ≡ m (mod n)

　　也就是说，c的d次方除以n的余数为m。现在，c等于2790，私钥是(3233, 2753)，那么，爱丽丝算出

　　27902753 ≡ 65 (mod 3233)

　　因此，爱丽丝知道了鲍勃加密前的原文就是65。

　　至此，"加密--解密"的整个过程全部完成。

　　我们可以看到，如果不知道d，就没有办法从c求出m。而前面已经说过，要知道d就必须分解n，这是极难做到的，所以RSA算法保证了通信安全。

　　你可能会问，公钥(n,e) 只能加密小于n的整数m，那么如果要加密大于n的整数，该怎么办？有两种解决方法：一种是把长信息分割成若干段短消息，每段分别加密；另一种是先选择一种"对称性加密算法"（比如DES），用这种算法的密钥加密信息，再用RSA公钥加密DES密钥。

　　九、私钥解密的证明

　　最后，我们来证明，为什么用私钥解密，一定可以正确地得到m。也就是证明下面这个式子：

　　因为，根据加密规则

　　ｍe ≡ c (mod n)

　　于是，c可以写成下面的形式：

　　c = me - kn

　　将c代入要我们要证明的那个解密规则：

　　(me - kn)d ≡ m (mod n)

　　它等同于求证

　　med ≡ m (mod n)

　　由于

　　所以

　　ed = h?(n)+1

　　将ed代入：

　　mh?(n)+1 ≡ m (mod n)

　　接下来，分成两种情况证明上面这个式子。

　　（1）m与n互质。

　　根据欧拉定理，此时

　　m?(n) ≡ 1 (mod n)

　　得到

　　(m?(n))h × m ≡ m (mod n)

　　原式得到证明。

　　（2）m与n不是互质关系。

　　此时，由于n等于质数p和q的乘积，所以m必然等于kp或kq。

　　以 m = kp为例，考虑到这时k与q必然互质，则根据欧拉定理，下面的式子成立：

　　(kp)q-1 ≡ 1 (mod q)

　　进一步得到

　　[(kp)q-1]h(p-1) × kp ≡ kp (mod q)

　　即

　　(kp)ed ≡ kp (mod q)

　　将它改写成下面的等式

　　(kp)ed = tq + kp

　　这时t必然能被p整除，即 t=t＇p

　　(kp)ed = t＇pq + kp

　　因为 m=kp，n=pq，所以

　　（完）

　　关于本文

　　本文授权转载自阮一峰的网络日志

原文地址：http://iphone.myzaker.com/l.php?l=522d6bac7f52e90c7b000002