RSA简介(一)——数论原理

时间:2023-01-21 12:43:55

  RSA是最常用的非对称加密算法。

  所谓非对称加密,就是说有两个密钥,一个密钥加密只可以用另外一个密钥解密,一般一个作为公钥,公开给所有人用来加密用,而另一个用来解密其他拥有公钥的加密结果,叫做私钥。另外,拥有私钥者可以用私钥加密信息,公钥可以解密获得加密内容,从而验证私钥拥有者的身份,这是一种特殊的加密,叫签名。

  RSA涉及到5个整数,关系如下:

  p和q都是质数;

  N=p*q;

  找一个1<e1<(p-1)(q-1),使得e1与(p-1)(q-1)互质;(互质的意思是两个数的最小公约数为1)

  再找一个1<e2<(p-1)(q-1),使得e1*e2 % (p-1)(q-1) = 1;(%在这里的意思除法取余数,我不采用数学的mod符号 )

  (N,e1)数对和(N,e2)数对是我们所需要的两个密钥,至于p/q,一旦生成密钥就应该及时销毁,因为它除了可以让人窃取了之后直接破解之外,没有任何其他的作用。

  对于任何满足1<A<N的整数A,使用(N,e1)加密就是

  B=Ae1%N

  对B解密,就是

  A=Be2%N

  实际上,整数a和b互质有两个等价定义:

  (1)a和b的最大公约数为1;

  (2)存在整数c,d,使得ac+bd=1

  两个定义的等价性证明中直接包含找e2的算法,放以后再讲。

  对于所有小于N的正整数,建立一种二元运算,计作a#b,

  定义a#b = a*b%N,称为模乘。

  先看所有小于N且与N互质的正整数下的模乘,看看这些整数在N模乘下成一种什么样的代数系统。

  因为a,b与N互质,所以a*b与N互质,所以a*b%N也与N互质,所以运算满足封闭性,

  又易证,a#b#c = a#(b#c) = a*b*c%N ,也就是满足结合律,

  从而,所有小于N并与N互质的数在#二元运算下成一半群,而且是有限半群,

  所有的有限半群是群,所以所有小于N并与N互质的数在#二元运算下成一个群。

  因为N=p*q,p和q都是质数,所有小于N并与N不互质的数都是p或者q的倍数,p的倍数小于N的一共q-1个,q的倍数小于N的一共p-1个

  所以这个群的阶(元素的个数)就是p*q-1-(q-1)-(p-1) = p*q-p-q+1=(p-1)(q-1),其e元为1。

  

  再看看小于N且与N不互质的正整数上的模乘,分两类,一类是有因数p,一类有因数q。

  先看所有有因数p的模乘,也就是p,2p...(q-1)p下的模乘,

  显然,其中任何两个数的乘积都有因数p2,再除以pq的余数也依然有因数q,所以依然在p.....(q-1)p之中,

  所以模乘满足封闭性,同样,模乘也满足结合律,

  从而是有限半群,从而是群,该群的阶为q-1,其e元记作ep

  同理可得,有因数q的所有小于N的正整数在模乘下也是一个群,阶为p-1,其e元记作eq

  

  我们再定义一符号,a##n为n个a的模乘,

  上面加密,B=Ae1%N,也就是B=A##e1,

  那么Be2%N也就是(A##e1)##e2 = A##(e1*e2),

  根据抽象代数知识,有限群的任何一个元素的周期是阶的因数,

  因为e1*e2除以(p-1)(q-1)等于1,则存在一个正整数k,使得e1*e2 = k(p-1)(q-1)+1,则

  如果A与N互质,与N互质的数的模乘群的阶为(p-1)(q-1),

  A##((p-1)(q-1)) = 1

  所以A##(e1*e2) = A##(k(p-1)(q-1)+1)

          =  A # (A##((p-1)(q-1)) ## k

          = A # (1##k)

          = A#1

          = A,

  如果A与N有公约数p,则

  该群的阶为q-1,

  所以A##(q-1)=ep

  所以A##(e1*e2) = A##(k(p-1)(q-1)+1)

          =  A # (A##(q-1) ## (k(p-1))

          = A # (ep##(k(p-1))

          = A#ep

          = A,

  同理,如果A与N有公约数q,

  A##(e1*e2) = A,

  所以

  Be2%N = A##(e1*e2)

      = A,

  这就是RSA加密解密之所以可以成立的原理,e1/e2可以互换,等式上依然成立,也就是说从数学原理上公钥私钥可以互换,

  但一般公钥的指数很短,这样破解就会变的很容易,在这种意义上,公钥私钥是不可以互换的。