RSA加密算法Python实现

1.RSA算法简介

1977年，三位数学家 Rivest、Shamir 和 Adleman 设计了一种算法，可以实现非对称加密。这种算法用他们三个人的名字命名，叫做RSA算法.RSA算法的特征如下:

1. RSA算法是非对称加密算法，及算法的加密密钥与解密密钥不同
2. RAS是基于大数分解问题实现的算法，
3. RSA算法的密钥长度一般为1024位到2048位之间，密钥很长，加密较慢
4. RSA算法一般用在数字签名比较多
5. RSA还是分组密码算法，需要对明文进行一组一组加密

2.RSA算法涉及的数学知识

2.1互素

两个正整数，除了1之外没有其他公因子，我们称这两个数是互素的，（就是两个数除一外没有公约数，就是互素），如下是判断两个数是否互素的代码实现：

def prime(a, b):
    if a > b:
        mid = a
        a = b
        b = mid
    mid = b % a
    while mid:
        b = a
        a = mid
        mid = b % a
    if a == 1:
        print('俩数互素')
    else:
        print('俩数不互素')


if __name__ == '__main__':
    prime(8, 3)

2.2 欧拉定理

如果两个正整数a和n互素，则n的欧拉函数φ(n)可以让下面的式子成立

其中a上面的表达式为欧拉函数，欧拉函数的计算方法为，比如计算n的欧拉函数，就是找从1到n-1和n互素元素的个数，其中质数的欧拉函数值为n-1，判断一个数的欧拉函数值方法如下：

def prime(a, b):
    if a > b:
        mid = a
        a = b
        b = mid

    mid = b % a
    while mid:
        b = a
        a = mid
        mid = b % a
    if a == 1:
        return True
    else:
        return False


def oula(n):
    total = 0
    for i in range(1, n):
        if prime(i, n):
            total = total + 1
    return total


if __name__ == '__main__':
    print(oula(8))

2.3求模逆元

求模逆元就是贝祖等式，就是d*e = 1 (mod n),e,和 n知道了，求d

def invmod(e, m):
    """
    求模逆元：知道x * e + y * m = g
    :param e:
    :param m:
    :return:
    """
    g, d, y = exgcd(e, m)
    assert g == 1
    if d < 0:
        d += m
    return d

2.4 取模运算

取模运算就是取余数运算

model = a % b

2.5 最大公因数

求最大公因数一般使用欧几里得算法，欧几里得算法又称辗转相除法，是指用于计算两个非负整数a，b的最大公约数。应用领域有数学和计算机两个方面。计算公式gcd(a,b) = gcd(b,a mod b)。

• 方法1

def gcd(a, b):
    """
    求最大公约数
    :param a:
    :param b:
    :return:
    """
    if a > b:
        mid = a
        a = b
        b = mid
    y = b % a
    while y:
        b = a
        a = y
        y = b % a
    return b

• 方法二

def gcd(a, b):
    """
    求最大公约数
    :param a:
    :param b:
    :return:
    """
    while b:
        a, b = b, a % b
    return a

2.6 最小公倍数

最小公倍数是再最大公因数的基础上使用的，两个或多个整数公有的倍数叫做它们的公倍数，其中除0以外最小的一个公倍数就叫做这几个整数的最小公倍数。整数a，b的最小公倍数记为[a，b]，同样的，a，b，c的最小公倍数记为[a，b，c]，多个整数的最小公倍数也有同样的记号。 与最小公倍数相对应的概念是最大公约数，a，b的最大公约数记为（a，b）。关于最小公倍数与最大公约数，我们有这样的定理：(a,b)x[a,b]=ab(a,b均为整数)。

• 方法1

def lcm(a, b):
    """
    求最大公倍数
    :param a:
    :param b:
    :return:
    """
    divisor = gcd(a, b)
    multiple = (a * b) / divisor
    return multiple

• 方法二

def lcm(a, b):
    """
    求最大公倍数
    :param a:
    :param b:
    :return:
    """
    return a // gcd(a, b) * b

2.7 欧几里得算法

欧几里得算法又称辗转相除法，是指用于计算两个非负整数a，b的最大公约数。应用领域有数学和计算机两个方面。计算公式gcd(a,b) = gcd(b,a mod b)。,上面说了

2.8 扩展欧几里得算法

求的a和b的最大公因数，求，x，y使得x * a + y * b= g(a,b)

def exgcd(a, b):
    # a：a和b的最大公因数
    old_s:
    old_t:
    old_s * a + old_t * b = a
    """
    old_s, s = 1, 0
    old_t, t = 0, 1
    while b:
        q = a // b
        s, old_s = old_s - q * s, s
        t, old_t = old_t - q * t, t
        a, b = b, a % b
    return a, old_s, old_t

3.RSA算法数学实现

3.1理论

1. 随意选择两个大的质数p和q，p不等于q，计算N = pq.
2. 根据欧拉函数，求得φ(N)=φ§φ(q)=(p-1)(q-1)。这是一个公式如果N = pq，那么φ(N)=φ(p)φ(q)，又因为p和q都是素数，φ(p) = p-1，所以φ(N)=φ(p)φ(q)=(p-1)(q-1)
3. 选择一个数e，使e大于1，并且e小于φ(N)，找一个数d，使得ed≡1(mod φ(N))，（e,n）为公钥，（d,e）为私钥
4. 加密：m^e ≡ c (mod n)，其中c为密文，解密：c^d ≡ m (mod n)

加解密图解如下：

3.2实践

首先找两个数，及p和q，p和q一般非常大，这里方便计算，取比较小的值，假设：p ＝ 17，q ＝ 19(p,q互素)

1. n = p ＊ q ＝ 323
2. φ(n) = (p-1) * (q-1) = 144
3. 随机取一数e，使1 < e < φ(n)并且gcd(e,φ(n)) =1,e=5合适（还有很多数都合适，这里只取一个数）
4. 取一数d，使得ed≡1(mod φ(n)),取d为29，所以公钥为(e,n)，私钥为（d,n）
5. 加密：假设明文 ＝ 123，则 密文＝（123的5次方）mod 323=225
6. 解密：明文＝（225的29次方）mod 323 =123，所以解密后的明文为123。

4.RSA算法代码实现

4.1RSA算法代码实现1

# 求两个数字的最大公约数（欧几里得算法）
def gcd(a, b):
   if b == 0:
       return a
   else:
       return gcd(b, a % b)

# 获取密钥
def get_key(p, q):
   n = p * q
   fyn = (p - 1) * (q - 1)
   e = 2
   while gcd(e, fyn) != 1:
       e = e + 1
   d = 2
   while (e*d) % fyn != 1:
       d = d + 1
   return (n, e), (n, d)


# 加密
def encryption(x, pubkey):
   n = pubkey[0]
   e = pubkey[1]
   y = x ** e % n   # 加密
   return y


# 解密
def decryption(y, prikey):
   n = prikey[0]
   d = prikey[1]
   x = y ** d % n      # 解密
   return x


if __name__ == '__main__':
   p = int(input("请给定第一个质数p的值："))
   q = int(input("请给定第二个质数q的值："))
   x = int(input("请给定要加密的消息x的值："))
   # 生成公钥私钥
   pubkey, prikey = get_key(p, q)
   print("加密前的消息是：", x)
   y = encryption(x, pubkey)
   print("加密后的消息是：", y)
   after_x = decryption(y, prikey)
   print("解密后的消息是：", after_x)

以上算法只能够实现整数加密，这个算法就是演示了RSA算法的原理

4.1RSA算法代码实现2

from random import randrange
import math


def prime(n):
   """
   判断一个数是不是素数
   :param n:
   :return: BOOL
   """
   mid = math.sqrt(n)
   mid = math.floor(mid)
   for item in range(2, mid):
       if n % item == 0:
           return False
   return True


def generate_n_bit_odd(n: int):
   """
   生成大数,不确定是不是素数
   :param n:
   :return:大数
   """
   assert n > 1
   return randrange(2 ** (n - 1) + 1, 2 ** n, 2)


first_50_primes = [3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31,
                  37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73,
                  79, 83, 89, 97, 101, 103, 107, 109, 113, 127,
                  131, 137, 139, 149, 151, 157, 163, 167, 173, 179,
                  181, 191, 193, 197, 199, 211, 223, 227, 229, 233]


def get_lowlevel_prime(n):
   """
   选择满足不能够整除前50个素数的大数，没找到就一直循环
   :param n:
   :return:
   """
   while True:
       c = generate_n_bit_odd(n)
       for divisor in first_50_primes:
           if c % divisor == 0 and divisor ** 2 <= c:
               break
       return c


def miller_rabin_primality_check(n, k=20):
   """
   米勒-拉宾素性检验
   由于假设n是一个素数，n-1=a^s*d,s和d是常量，改变a的值，检测20次
   :param n:
   :param k:
   :return:
   """
   assert n > 3
   if n % 2 == 0:
       return False
   # 找出n-1 = 2^s*d
   s, d = 0, n - 1
   while d % 2 == 0:
       d >>= 1
       s += 1

   for _ in range(k):
       a = randrange(2, n - 1)
       x = pow(a, d, n)

       if x == 1 or x == n - 1:
           continue

       for _ in range(s):
           x = pow(x, 2, n)
           if x == n - 1:
               break
       else:
           return False
   return True


def get_random_prime(num_bits):
   """
   获取大素数
   :param num_bits:
   :return:
   """
   while True:
       pp = get_lowlevel_prime(num_bits)
       if miller_rabin_primality_check(pp):
           return pp


def gcd(a, b):
   """
   求最大公约数
   :param a:
   :param b:
   :return:
   """
   while b:
       a, b = b, a % b
   return a


def lcm(a, b):
   """
   求最大公倍数
   :param a:
   :param b:
   :return:
   """
   # divisor = gcd(a, b)
   # multiple = (a * b) / divisor
   # return multiple
   return a // gcd(a, b) * b



def exgcd(a, b):
   """
   扩展欧几里得算法
   :param a:
   :param b:
   :return:
   a：a和b的最大公因数
   old_s:
   old_t:
   old_s * a + old_t * b = a
   """
   old_s, s = 1, 0
   old_t, t = 0, 1
   while b:
       q = a // b
       s, old_s = old_s - q * s, s
       t, old_t = old_t - q * t, t
       a, b = b, a % b
   return a, old_s, old_t


def invmod(e, m):
   """
   求模逆元：知道x * e + y * m = g
   :param e:
   :param m:
   :return:
   """
   g, d, y = exgcd(e, m)
   assert g == 1
   if d < 0:
       d += m
   return d


def uint_from_bytes(xbytes: bytes) -> int:
   """
   比特转换位整数
   :param xbytes:
   :return:
   """
   return int.from_bytes(xbytes, 'big')


def uint_to_bytes(x: int) -> bytes:
   """
   整数转换成比特的时候，一个整数对应32位比特数
   :param x:
   :return:
   """
   if x == 0:
       return bytes(1)
   return x.to_bytes((x.bit_length() + 7) // 8, 'big')  #做到尽量不补零


RSA_DEFAULT_EXPONENT = 65537
RSA_DEFAULT_MODULUS_LEN = 2048

class RSA:
   """
   RSA算法(self.n, self.e)加密密钥
   (self.n, self.d)解密密钥
   """
   def __init__(self, key_length=RSA_DEFAULT_MODULUS_LEN,
                exponent=RSA_DEFAULT_EXPONENT):
       self.e = exponent
       t = 0
       p = q = 2
       # 找出一个e使1<e<(p-1)*(q-1)
       while gcd(self.e, t) != 1:
           p = get_random_prime(key_length // 2)
           q = get_random_prime(key_length // 2)
           t = lcm(p - 1, q - 1)

       self.n = p * q
       self.d = invmod(self.e, t)
   # 加密和解密使比特和整数之间的加解密

   def encrypt(self, binary_data: bytes):
       int_data = uint_from_bytes(binary_data)
       return pow(int_data, self.e, self.n)

   def decrypt(self, encrypted_int_data: int):
       int_data = pow(encrypted_int_data, self.d, self.n)
       return uint_to_bytes(int_data)


if __name__ == '__main__':
   alice = RSA(512, 3)
   msg = b'Textbook RSA in Python'
   ctxt = alice.encrypt(msg)
   m = alice.decrypt(ctxt)
   print(m)
   print(ctxt)

如下是结果运行图：

代码007普通

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