NTL密码算法开源库——大整数ZZ类（四）
2021SC@SDUSC
RSA算法原理
密钥生成的步骤
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)。
根据公式：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（实例）。
第七步，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。
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。
第八步，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。
第九步，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：
cd ≡ m (mod n)
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
ed ≡ 1 (mod φ(n))
所以
ed = hφ(n)+1
将ed代入：
mhφ(n)+1 ≡ m (mod n)
接下来，分成两种情况证明上面这个式子。
- m与n互质。
根据欧拉定理，此时
mφ(n) ≡ 1 (mod n)
得到
(mφ(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
med ≡ m (mod n)
原式得到证明。
部分代码
RSA.h
/***********************************************************************
RSA 加密与解密
１、p , q 均是 " << bits <<" bits 的大素数(概率素数)；
２、加密密钥 e 是 100 bits 的大整数；
３、明文文件, 密文文件及解密文件均存放于当前目录下；
***********************************************************************/
#include"RSA.H"
# pragma comment (lib, "NTL-5.3.2\\NTL532.lib")
#define BITS 256 //要求概率素数 p , q 的比特位数达 BITS bits
void main()
{
ZZ p, q ; //两个 BITS 比特的随机概率素数 p , q
ZZ n, e, d, euler; // n=p*q, euler=(p-1)*(q-1), e---加密密钥, d---解密密钥
int bits = BITS; //要求概率素数为 BITS bits
cout<<endl;
cout<<"**********************************************************"<<endl;
cout<<" NTL 库实现 RSA 加密与解密 "<<endl;
cout<<" １、p , q 均是 " << bits <<" bits 的大素数(概率素数)； "<<endl;
cout<<" ２、加密密钥 e 是 100 bits 的大整数； "<<endl;
cout<<" ３、明文文件, 密文文件及解密文件均存放于当前目录下； "<<endl;
cout<<"**********************************************************"<<endl;
system("cls");
RandomPrime( p, bits, 10 ); RandomPrime( q, bits, 10 );
n=p*q; euler=(p-1)*(q-1); //计算 n=p*q 及 欧拉函数值 euler(n)=(p-1)*(q-1)
KeyGeneration(d, e, euler); //生成密钥: d, e , where d*e=1 Mod euler(n)
SaveKey(e, d, n); //保存公钥及私钥到文件. 注意: PU={e,n}, PR={d,n}
//注意: 公钥 KU={e,n}, 用于加密方
// 私钥 KR={d,n}, 用于解密方
Encryption(e, n); //加密: C=M^e(Mod n)
Decryption(d, n); //解密: M=C^d(Mod n)
cout<<endl;
cout<<"**********************************************************"<<endl;
cout<<" NTL 库实现 RSA 加密与解密 "<<endl;
cout<<" １、p , q 均是 " << bits <<" bits 的大素数(概率素数)； "<<endl;
cout<<" ２、加密密钥 e 是 100 bits 的大整数； "<<endl;
cout<<" ３、明文文件, 密文文件及解密文件均存放于当前目录下； "<<endl;
cout<<"**********************************************************"<<endl;
cout<<"\n程序执行完毕!"<<endl;
cout<<"*********** 以下所有文件均保存于当前目录下 ***********"<<endl;
cout<<"\t 明文文件: "<< file1 <<endl;
cout<<"\t 密文文件: "<< file2 <<endl;
cout<<"\t 解密文件: "<< file3 <<endl;
cout<<"\t RSA 加密密钥文件: PublicKey.txt" << endl;
cout<<"\t RSA 解密密钥文件: PrivateKey.txt" << endl;
cout<<endl;
cout<<"******************************************************"<<endl;
cout<<endl; system("pause");
}具体代码见@元解~殇怀