OpenSSL 中 RSA 加密解密实现源代码分析

1、RSA 公钥和私钥的组成。以及加密和解密的公式：

2、模指数运算：

先做指数运算，再做模运算。如 5^3 mod 7 = 125 mod 7 = 6

3、RSA加密算法流程：

1. 选择一对不同的、而且足够大的素数 p 和 q
2. 计算 n = p * q
3. 计算欧拉函数 f(n) = (p-1) * (q-1)，p 和 q 须要保密
4. 寻找与 f(n) 互质的数 e。而且 1 < e < f(n)
5. 计算 d，使得 d * e ≡ 1 mod f(n)
6. 公钥 KU = (e , n)   私钥 KR = (d , n)
7. 加密时，将明文变换成 0 ~ n-1 的一个整数 M。明文较长能够切割。设密文为 C，则加密过程是：C ≡ M^e mod n
8. 解密时，M ≡ C^d mod n

当中 ≡ 表示同余，就是符号两边模运算结果同样。

由于符号右边结果恒为 1

所以要找到符合条件的 d 使得 d * e mod f(n) = 1

4、OpenSSL中RSA加密解密实现

（1）BN_MONT_CTX

/* Used for montgomery multiplication */ struct bn_mont_ctx_st { int ri; /* number of bits in R */ BIGNUM RR; /* used to convert to montgomery form */ BIGNUM N; /* The modulus */ BIGNUM Ni; /* R*(1/R mod N) - N*Ni = 1 * (Ni is only stored for bignum algorithm) */ BN_ULONG n0[2]; /* least significant word(s) of Ni; (type changed with 0.9.9, was "BN_ULONG n0;" before) */ int flags; };

（2）BIGNUM

struct bignum_st      {      BN_ULONG *d;     /* Pointer to an array of 'BN_BITS2' bit chunks. */      int top;                 /* Index of last used d +1. */                                   /* The next are internal book keeping for bn_expand. */      int dmax;             /* Size of the d array. */      int neg;                /* one if the number is negative */      int flags;      }; d：BN_ULONG (应系统而异，win32 下为4 个字节) 数组指针首地址，大数就存放在这里面，只是是倒放的。 比方。用户要存放的大数为 12345678000（通过BN_bin2bn 放入）。则d 的内容例如以下： 0x30 0x30 0x30 0x38 0x37 0x36 0x35 0x34 0x33 0x32 0x31 ；（注意这里是以ASCII码存放的。他是字符转 bignum ） top：用来指明大数占多少个 BN_ULONG 空间，上例中top 为 3。 dmax：d 数组的大小。 neg：是否为负数。假设为1，则是负数，为 0。则为正数。 flags：用于存放一些标记，比方 flags 含有BN_FLG_STATIC_DATA 时。表明d 的内存 是静态分配的。含有 BN_FLG_MALLOCED 时。d 的内存是动态分配的。

（3）RSA

struct rsa_st      {      /* The first parameter is used to pickup errors where      * this is passed instead of aEVP_PKEY, it is set to 0 */           int pad;      long version; /*此处的 method 方法指针比較重要，通过指向不同的函数，能够调用自定义的处理函数，也就是这个指针指向各种运算函数的地址*/      const RSA_METHOD *meth;      /* functional reference if 'meth' is ENGINE-provided */      ENGINE *engine;      BIGNUM *n;      BIGNUM *e;      BIGNUM *d;      BIGNUM *p;      BIGNUM *q;      BIGNUM *dmp1;      BIGNUM *dmq1;      BIGNUM *iqmp;      /* be careful using this if the RSA structure is shared */      CRYPTO_EX_DATA ex_data;      int references;      int flags;      /* Used to cache montgomery values */      BN_MONT_CTX *_method_mod_n;      BN_MONT_CTX *_method_mod_p;      BN_MONT_CTX *_method_mod_q;      /* all BIGNUM values are actually in the following data, if it is not NULL */      char *bignum_data;      BN_BLINDING *blinding;      BN_BLINDING *mt_blinding;      };

（4）RSA_METHOD

struct rsa_meth_st      {      const char *name; /*与（6）中RSA_eay_public_encrypt函数相应*/      int (*rsa_pub_enc)(int flen,                                     const unsigned char *from,                                     unsigned char *to,                                     RSA *rsa,int padding);      int (*rsa_pub_dec)(int flen,                                      const unsigned char *from,                                      unsigned char *to,                                      RSA *rsa,int padding);      int (*rsa_priv_enc)(int flen,                                      const unsigned char *from,                                      unsigned char *to,                                      RSA *rsa,int padding);      int (*rsa_priv_dec)(int flen,                                      const unsigned char *from,                                      unsigned char *to,                                      RSA *rsa,int padding);      int (*rsa_mod_exp)(BIGNUM *r0,                                        const BIGNUM *I,                                        RSA *rsa,                                        BN_CTX *ctx);           /* Can be null */ /*与（6）中BN_mod_exp_mont 函数相应*/      int (*bn_mod_exp)(BIGNUM *r,                                     const BIGNUM *a, const BIGNUM *p,                                     const BIGNUM *m, BN_CTX *ctx,                                     BN_MONT_CTX *m_ctx);      /* Can be null */      int (*init)(RSA *rsa);          /* called at new */      int (*finish)(RSA *rsa);      /* called at free */      int flags;                             /* RSA_METHOD_FLAG_* things */      char *app_data;                 /* may be needed! */ /* New sign and verify functions: some libraries don't allow arbitrary data *   to be signed/verified: this allows them to be used. Note: for this to work *   the RSA_public_decrypt() and RSA_private_encrypt() should *NOT* be used *   RSA_sign(), RSA_verify() should be used instead. Note: for backwards *   compatibility this functionality is only enabled if the RSA_FLAG_SIGN_VER *   option is set in 'flags'. */      int (*rsa_sign)(int type,                               const unsigned char *m,                               unsigned int m_length,                               unsigned char *sigret,                               unsigned int *siglen,                               const RSA *rsa);      int (*rsa_verify)(int dtype,                                 const unsigned char *m,                                 unsigned int m_length,                                 const unsigned char *sigbuf,                                 unsigned int siglen,                                 const RSA *rsa); /* If this callback is NULL, the builtin software RSA key-gen will be used. This *   is for behavioural compatibility whilst the code gets rewired, but one day *   it would be nice to assume there are no such things as "builtin software" *   implementations. */      int (*rsa_keygen)(RSA *rsa,                                    int bits,                                    BIGNUM *e,                                    BN_GENCB *cb);      }; 用户可实现自己的 RSA_METHOD 来替换openssl 提供的默认方法。

（5）rsa_crpt.c 详细实现了下面几个函数

int     RSA_public_encrypt(int flen,                                            const unsigned char *from,                                            unsigned char *to,                                            RSA *rsa,                                            int padding); int     RSA_private_encrypt(int flen,                                       const unsigned char *from,                                       unsigned char *to,                                       RSA *rsa,                                       int padding); int     RSA_public_decrypt(int flen,                                     const unsigned char *from,                                     unsigned char *to,                                     RSA *rsa,                                     int padding); int     RSA_private_decrypt(int flen,                                       const unsigned char *from,                                       unsigned char *to,                                       RSA *rsa,                                       int padding); RSA_public_encrypt 函数体内部，真正调用的是例如以下函数： return(rsa->meth->rsa_pub_enc(flen, from, to, rsa, padding)); 也就是 RSA_public_encrypt 调用的是（4）中 rsa_pub_enc 这个函数。 在 rsa.h中有例如以下说明： /* these are the actual SSLeay RSA functions */ const RSA_METHOD *RSA_PKCS1_SSLeay(void); const RSA_METHOD *RSA_null_method(void);

（6）rsa_esy.c 中有例如以下定义：

const RSA_METHOD *RSA_PKCS1_SSLeay(void)      {      return(&rsa_pkcs1_eay_meth);      } static RSA_METHOD rsa_pkcs1_eay_meth={      "Eric Young's PKCS#1 RSA",      RSA_eay_public_encrypt,      RSA_eay_public_decrypt,         /* signature verification */      RSA_eay_private_encrypt,       /* signing */      RSA_eay_private_decrypt,      RSA_eay_mod_exp,      BN_mod_exp_mont,              /* XXX probably we should not use Montgomery if  e == 3 */      RSA_eay_init,      RSA_eay_finish,      0, /* flags */      NULL,      0,                                               /* rsa_sign */      0,                                               /* rsa_verify */      NULL                                         /* rsa_keygen */      };  这个结构体完毕了函数地址映射的功能。如：  RSA_public_encrypt 终于调用的是 RSA_eay_public_encrypt 这个函数  bn_mod_exp 终于调用的是 BN_mod_exp_mont这个函数

（7）RSA_eay_public_encrypt 在 rsa_esy.c 中实现

static int RSA_eay_public_encrypt(int flen,                                                          const unsigned char *from,                                                          unsigned char *to,                                                          RSA *rsa,                                                          int padding)      {  .............. /*核心调用在此。事实上调用的是（6）中 BN_mod_exp_mont 函数*/      if (!rsa->meth->bn_mod_exp(ret,f,rsa->e,rsa->n,ctx,           rsa->_method_mod_n)) goto err;  ..............      }

（8）BN_mod_exp_mont 在 bn_exp.c 中实现

int BN_mod_exp_mont(BIGNUM *rr,                                        const BIGNUM *a,                                        const BIGNUM *p,                                        const BIGNUM *m,                                        BN_CTX *ctx,                                        BN_MONT_CTX *in_mont)      {     ..........      if (!BN_to_montgomery(val[0],aa,mont,ctx)) goto err; /* 1 */      window = BN_window_bits_for_exponent_size(bits);      if (window > 1)           {           if (!BN_mod_mul_montgomery(d,val[0],val[0],mont,ctx)) goto err; /* 2 */           j=1<<(window-1);           for (i=1; i<j; i++)                {                if(((val[i] = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) ||                          !BN_mod_mul_montgomery(val[i],val[i-1],                               d,mont,ctx))                     goto err;                }           }      ..........      } BN_mod_exp_mont 调用 BN_mod_mul_montgomery 函数实现了核心功能

（9）BN_mod_mul_montgomery 在 bn_mont.c 中实现

int BN_mod_mul_montgomery(BIGNUM *r,                                                    const BIGNUM *a,                                                    const BIGNUM *b,                                                    BN_MONT_CTX *mont,                                                    BN_CTX *ctx)      { ..........      if (num>1 && a->top==num && b->top==num)           {           if (bn_wexpand(r,num) == NULL) return(0);           if (bn_mul_mont(r->d,a->d,b->d,mont->N.d,mont->n0,num))                {                r->neg = a->neg^b->neg;                r->top = num;                bn_correct_top(r);                return(1);                }           } ..........      } BN_mod_mul_montgomery 调用 bn_mul_mont 函数实现了核心功能

（10）bn_mul_mont 在 bn_asm.c 中实现，即实现蒙哥马利模乘

例如以下是 bn_mul_mont 函数的详细实现： int bn_mul_mont(BN_ULONG *rp,                              const BN_ULONG *ap,                              const BN_ULONG *bp,                              const BN_ULONG *np,                              const BN_ULONG *n0p,                              int num)      {      BN_ULONG c0,c1,*tp,n0=*n0p;      volatile BN_ULONG *vp;      int i=0,j;      vp = tp = alloca((num+2)*sizeof(BN_ULONG));      for(i=0;i<=num;i++)     tp[i]=0;      for(i=0;i<num;i++)           { /* t = a * b */           c0         = bn_mul_add_words(tp,ap,num,bp[i]);           c1         = (tp[num] + c0)&BN_MASK2;           tp[num]    = c1;           tp[num+1]  = (c1<c0?1:0); /* u = (t + (t*n0 mod r) * n) / r */           c0         = bn_mul_add_words(tp,np,num,tp[0]*n0);           c1         = (tp[num] + c0)&BN_MASK2;           tp[num]    = c1;           tp[num+1] += (c1<c0? 1:0);           for(j=0;j<=num;j++)     tp[j]=tp[j+1];           } /* return u>=n ? u-n : u */      if (tp[num]!=0 || tp[num-1]>=np[num-1])           {           c0 = bn_sub_words(rp,tp,np,num);           if (tp[num]!=0 || c0==0)                {                for(i=0;i<num+2;i++)     vp[i] = 0;                return 1;                }           }      for(i=0;i<num;i++)     rp[i] = tp[i],     vp[i] = 0;      vp[num]   = 0;      vp[num+1] = 0;      return 1;      }

bn_mul_add_words 在 bn_asm.c 中定义实现。能够通过例如以下部分代码知道详细的实现方法：

num  -->  表示大数占用的 BN_ULONG 的个数，也就是 BIGNUM 中的 top 成员 rp     -->  表示输出结果的指针 ap    -->  表示输入大数的指针 w     -->  表示输入word c1    -->  表示输出进位 BN_ULONG bn_mul_add_words(BN_ULONG *rp, const BN_ULONG *ap, int num, BN_ULONG w)      { ...... while (num)           {           mul_add(rp[0],ap[0],w,c1);           ap++; rp++; num--;           } ......      } bn_mul_add_words 函数实现了将一个大数 ap 与字 w 乘累加，而且得到结果保存到大数 rp ,进位保存到 c1 中。 实现了例如以下表达式： (c1, rp) = ap * w + rp + c1 乘法的实现方式例如以下：

bn_sub_words 在 bn_asm.c 中定义实现。能够通过例如以下部分代码知道详细的实现方法：

n      -->  表示大数占用的 BN_ULONG 的个数，也就是 BIGNUM 中的 top 成员 a      -->  表示输入被减数 b      -->  表示输入减数 c      -->  表示输出借位 BN_ULONG bn_sub_words(BN_ULONG *r, const BN_ULONG *a, const BN_ULONG *b, int n)         { ...... while (n)           {           t1=a[0]; t2=b[0];           r[0]=(t1-t2-c)&BN_MASK2;           if (t1 != t2) c=(t1 < t2);           a++; b++; r++; n--;           } ......        } 实现了两个大数 a 和 b 的减法运算，当中 c 是借位。实现例如以下表达式： (r, c) = a - b

bn_lcl.h 中定义了例如以下几个宏：实现乘累加运算

#define Lw(t)     (((BN_ULONG)(t))&BN_MASK2) #define Hw(t)    (((BN_ULONG)((t)>>BN_BITS2))&BN_MASK2) #define mul_add(r,a,w,c) { \      BN_ULLONG t; \      t=(BN_ULLONG)w * (a) + (r) + (c); \      (r)= Lw(t); \      (c)= Hw(t); \      } mul_add 函数实现了乘累加的功能。实现例如以下的表达式： (c, r) = a * w + r + c