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RSA加密算法在C++中的实现面向初学者（附代码）-创新互联

概述

博文的一，二部分为基础知识的铺垫。分别从密码学，数论两个方面为理解RSA算法做好了准备。第三部分是对RSA加密过程的具体介绍，主要涉及其密钥对（key-pair）的获取。前三个部分与编程实践无关，可以当作独立的关于RSA加密算法的介绍。第四部分开始介绍在编程层面实现RSA算法的基础知识，主要涉及一些算法，如拓展欧几里得算法，米勒-拉宾素性检验算法，是为C++中实现RSA加密所作的铺垫。第五部分阐述了面向初学者实现RSA算法的思路，以及其局限，可改善之处。第六部分为提供的参考代码。

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密钥：将明文转换为密文，对于窃听者来说，密钥和明文等价。

对称加密（symmetric cryptograph），特征在于加密和解密使用同一个密钥。

非对称加密（asymmetric cryptography)，也被称作公钥加密（public-key cryptography)。最主要的特征在于使用公钥加密，私钥解密。

下面我们通过一个例子，来简述非对称加密的过程，假设A，B两人进行公钥加密通信，则整个通信的过程，由信息接受者B启动（A为信息发出者）。

B首先通过一定算法生成包含公钥，私钥的密钥对（key-pair），然后将公钥发送给A，自己保留私钥，请求A利用这个公钥对信息进行加密。

A利用该公钥对信息进行加密后，将密文传送给B，B利用自己的私钥对密文进行解密。

值得注意的是：首先公钥是可公开的，因为光凭借公钥只能加密，而并不能解密，所以不用担心公钥传输过程中被窃听者截获，同理也不用担心密文被截获，因为唯一能够破解密文的密钥在信息接收者处。

RSA算法（Rivest-Shamir-Adleman 取自开发者首字母），正是一种公钥密码算法。

二. RSA算法的数论基础

（看之前需要理解同余符号的含义）

1.欧拉函数：

对于正整数n，不大于n，且与n互素的数的个数记为\phi (n)

2.欧拉定理：

a^{\phi (n)}\equiv 1(mod n)（其弱化形式，即在n为素数时，变为费马小定理）

证明需要用到群论知识，与RSA算法关联不大，故在此不加赘述，可参考：

欧拉定理 证明及推论_有钱哥哥家的的博客-博客_欧拉定理证明

3.同余的一些基本性质：

/1：乘积同余：即两数乘积，与两数模n的余数的乘积，关于模n同余，证明可以通过将两数写作kn+q（q为余数）的形式，比较其乘积与q1，q2乘积在模n时的结果。

/2：幂运算同余：若a\equiv b(mod n)，则a^{p}\equiv b^{p}(mod n)，证明可以通过移项，由因式定理可知，其必有a-b这个因式

4.逆元：

若ab\equiv 1(mod n)，则称a为b，关于模n的逆元

三.RSA算法介绍

我们用A来代表明文，B代表经过RSA算法加密后的密文。则可以用一个等式来阐明A,B间的关系：B\equiv A^{e}(mod n),且B< n，即B为A的e次方后除以n的余数。其中（e,n)为公钥。

设（d，n）为私钥，则私钥满足的关系为A\equiv B^{d}(mod n)

下面我们来看如何得到公钥和私钥组成的密钥对（需要用到二.介绍的数学知识）。

1.得到公钥：

选取两个充分大的素数p，q， 其乘积的值即为n，在得到n后，计算其欧拉函数的值，即在1到n-1中有多少数与n互素。

因为n包含两个质因子p，q，所以在1到n-1中包含p，q因子的数均与n不互素。

包含p因子的有p，2p，3p一直到p（q-1），同理含q的有q到q（p-1)。一共p+q-2个数

则在这n-1个数中与n互素的数一共有n-1-（p+q-2）=n-p-q+1，且n可以写作p*q，可以得到：\phi (n)=(p-1)(q-1)

我们选取与\phi (n)互素的小于\phi (n)的数e，则（e，n）组成公钥。

2.得到私钥：

取e关于\phi (n)的逆元为d，则得到（d，n）私钥。

下面来证明为何（d，n）为私钥：

即证明：A\equiv B^{d}(mod n)

两侧同时取e次幂可以得到A^{e}\equiv B^{ed}(mod n)

因为d为e的逆元，所以ed=k\phi (n)+1，将该等式带入到上式中，我们可以得到：

A^{e}\equiv B^{k\phi (n)}\times B(modn)

由欧拉定理可知B^{\phi (n)}\equiv 1(modn)，由同余的性质中的幂运算同余知，两侧同时取k次幂，可以得到：

B^{k\phi (n)}\equiv 1(mod n),再由同余基本性质中的乘积同余，可知B\equiv A^{e}(mod n)，此即为公钥的条件，于是我们发现在d取e 关于\phi (n)的逆元时，两者等价，即私钥条件成立。

上述生成的公钥与密钥组成的密钥对便可用于加密。

RSA算法的核心在于，对于一个大数的质因数分解是很困难的，一旦能够发现对于大数质因数的高效算法，RSA就能够被破译。

四.RSA在C++实现的算法基础

在利用c++实现RSA加密时，含需要一些补充的算法知识：

1.裴蜀定理（Bezout’s lemma）：

一定存在整数x，y，使得线性方程组ax+by=gcd（a，b）成立。而ax+by=gcd（a，b）则称为裴蜀等式。

2.拓展欧几里得算法（extended Euclidean algorithm）：

欧几里得算法（辗转相除法）常用于求算大公约数（gcd），而拓展欧几里得算法则是在具备欧几里得算法的功能前提下，增加了求解裴蜀等式的功能。而在我们通过公钥（e，n）计算私钥（d，n）时，就需要用到拓展欧几里得算法。

因为ed\equiv 1(mod \phi (n))，可以写作(e)d+(-k)\phi (n)=1

又因为gcd(e,\phi (n))=1，故上式可化为(d)e+(-k)\phi (n)=gcd(e,\phi (n))，符合裴蜀等式。

d与-k分别为欲求的x，y，故可以使用拓展欧几里得算法来求解

关于拓展欧几里得算法的细节可以参考：扩展欧几里得算法详解__Warning_的博客-博客_扩展欧几里得

3.米勒-拉宾素性检验（Miller-Rabin prime test）

RSA加密的关键在于其最初生成的两个充分大的素数p，q，其大小决定了密码破译的难度。但是要随机生成两个大素数是比较困难的，所以RSA算法中大多都采用通过米勒-拉宾素性检验的伪素数来作为p，q。

米勒-拉宾素性检验是基于费马小定理，对给定的任意奇数进行检验，检验通过则代表其有概率为素数，在进行多次检验后，若都通过，则其为素数的概率会非常高，可以作为素数使用。

五.RSA算法在C++中的实现

基本思路：

1.随机素数p，q的获取：利用数组，生成一定范围内一定质数的数表，产生随机数i，j对应素数数组的下标，由此达到在数表中随机选取素数的功能。

2.密钥的获取：利用拓展欧几里得算法获取d的值。

3.加密过程：将输入字符的ASCII码值进行RSA加密，密文为一串数字，实现方法是用字符数组与整型数组间的值传递。

局限与改善：

1.没有使用米勒-拉宾素性检验来获取大素数，而是用素数数表产生的素数对，其构成的密钥空间小，一旦数表范围被获取，则密钥极有可能被破解。

2.加密文本的读入没有涉及文件的读写层面，需要依靠人为输入，较为不方便。

3.部分计算没有考虑在选取充分大的素数时可能产生的数据溢出问题。

六.C++代码

#include
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;

int exgcd(int a, int b,int *x,int *y)                                     //拓展欧几里得算法
{
  if(b==0)
  {
  *x=1;
  *y=0;
  return a;
  }
  int gcd=exgcd(b,a%b,x,y);
  int temp=*x;
  *x=*y;
  *y=temp-a/b*(*y);
  return gcd;
}

int isprime(int a)                                                          //素数判断
{
  int i;
  for(i=2;i<1+(a/2);i++){
  if(a%i==0)return 1;
  }
  return 0;
}

void primegenerator(int prime[10])                             //生成素数表
{
  int i,j=0;
  for(i=91;i<=1000;i++){
  if(isprime(i)==0){
  prime[j]=i;
  j++;
  }
if(j>9)break;
  }
}

int main()
{
  int prime[10];
  primegenerator(prime);
  int seed,p,q;
  seed=time(0);
  srand((unsigned int)seed);                              //生成在范围内的随机素数p，q
  p=rand()%9;
  do{
  q=rand()%9;
  }while(q==p);
  int e,d,n,fi_n,r,nu,w1,w2;

  int a;
  cout<<"请选择加密/解密"<   cout<<"输入0代表加密"<<' '<<"输入1代表解密"<   cin>>a;
  char minwen[1000];

  int i,j,mi;
  if(a==0){
n=prime[p]*prime[q];
fi_n=(prime[p]-1)*(prime[q]-1);
for(r=fi_n/2;n>=1;r--){                                                 //求得公钥
 if(exgcd(r,fi_n,&w1,&w2)==1){
e=r;
break;
}
 }
 r=exgcd(e,fi_n,&d,&nu);
  cout<<"请输入明文"<   scanf("%s",minwen);
  int shuma_minwen[strlen(minwen)];
  for(i=0;i
  shuma_minwen[i]=minwen[i];
  }
  int shuma_miwen[strlen(minwen)];                                         //录入结束，开始加密
  for(i=0;i
  mi=shuma_minwen[i];
  shuma_miwen[i]=1;
  for(j=1;j<=e;j++){
  shuma_miwen[i]=(shuma_miwen[i]*mi)%n;
  }
  }
  cout<<"密文为"<   for(i=0;i
  cout<   }
  cout<   cout<   cout<   }
  else if(a==1){
  int shuma_jiemiwen[10000];

cout<<"请输入密文长度"<   int k;
  cin>>k;
  cout<<"请输入密文"<   int t=0;
  for(i=0;i
  cin>>shuma_jiemiwen[i];
  }
  int sizel=k;

  cout<<"请输入私钥（d，n） （分别输入d，n用空格隔开）"<   int d1,n1;
  cin>>d1>>n1;
  int ming;
  int shuma_jieminwen[sizel];                                                    //开始解密
  for(i=0;i
  ming=shuma_jiemiwen[i];
  shuma_jieminwen[i]=1;
  for(j=0;j
  shuma_jieminwen[i]=shuma_jieminwen[i]*ming%n1;
  }
  }

  char jieminwen[sizel];
  for(i=0;i
  jieminwen[i]=shuma_jieminwen[i];
  }
  cout<<"明文为"<   for(i=0;i
  cout<   }
  }
  return 0;
}

这里提供的代码部分参考于以下链接：

C语言实现简单的RSA加解密算法_♡Starry.的博客-博客_rsa加密算法代码c语言

但是做了一些改善：

1.由随机数与素数表的对应关系，给出素数对（p，q），无需人为输入

2.计算逆元d时，采用拓展欧几里得算法，时间复杂度更低

但仍有一些点可以继续改进：

1.没有使用米勒-拉宾素性检验来获取大素数，密码安全性较低

2.加密文本的读入没有涉及文件的读写层面，较为不方便。

此代码可以供初学者简单体会RSA加密的基本过程，以及主要算法，进一步优化有待探讨。

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