Hello，密码学：第三部分，公钥密码（非对称密码）算法

Posted 2023-04-18

参考技术A

在 《Hello，密码学：第二部分，对称密码算法》 中讲述了对称密码的概念，以及DES和AES两种经典的对称密码算法原理。既然有对称密码的说法，自然也就有非对称密码，也叫做公钥密码算法。 对称密码和非对称密码两种算法的本质区别在于，加密密钥和解密密钥是否相同 ：

公钥密码产生的初衷就是为了解决 密钥配送 的问题。

Alice 给远方的 Bob 写了一封情意慢慢的信，并使用强悍的 AES-256 进行了加密，但她很快就意识到，光加密内容不行，必须要想一个安全的方法将加密密钥告诉 Bob，如果将密钥也通过网络发送，很可能被技术高手+偷窥癖的 Eve 窃听到。

既要发送密钥，又不能发送密钥，这就是对称密码算法下的“密钥配送问题” 。

解决密钥配送问题可能有这样几种方法：

这种方法比较高效，但有局限性：

与方法一不同，密钥不再由通信个体来保存，而由密钥分配中心（KDC）负责统一的管理和分配。 双方需要加密通信时，由 KDC 生成一个用于本次通信的通信密钥交由双方，通信双方只要与 KDC 事先共享密钥即可 。这样就大大减少密钥的存储和管理问题。

因此，KDC 涉及两类密钥：

领略下 KDC 的过程：

KDC 通过中心化的手段，确实能够有效的解决方法一的密钥管理和分配问题，安全性也还不错。但也存在两个显著的问题：

使用公钥密码，加密密钥和解密密钥不同，只要拥有加密密钥，所有人都能进行加密，但只有拥有解密密钥的人才能进行解密。于是就出现了这个过程：

密钥配送的问题天然被解决了。当然，解密密钥丢失而导致信息泄密，这不属于密钥配送的问题。

下面，再详细看下这个过程。

公钥密码流程的核心，可以用如下四句话来概述：

既然加密密钥是公开的，因此也叫做 “公钥（Public Key）” 。
既然解密密钥是私有的，因此也叫做 “私钥（Private Key） 。

公钥和私钥是一一对应的，称为 “密钥对” ，他们好比相互纠缠的量子对， 彼此之间通过严密的数学计算关系进行关联 ，不能分别单独生成。

在公钥密码体系下，再看看 Alice 如何同 Bob 进行通信。

在公钥密码体系下，通信过程是由 Bob 开始启动的：

过程看起来非常简单，但为什么即使公钥被窃取也没有关系？这就涉及了上文提到的严密的数学计算关系了。如果上一篇文章对称密钥的 DES 和 AES 算法进行概述，下面一节也会对公钥体系的数学原理进行简要说明。

自从 Diffie 和 Hellman 在1976年提出公钥密码的设计思想后，1978年，Ron Rivest、Adi Shamir 和 Reonard Adleman 共同发表了一种公钥密码算法，就是大名鼎鼎的 RSA，这也是当今公钥密码算法事实上的标准。其实，公钥密码算法还包括ElGamal、Rabin、椭圆曲线等多种算法，这一节主要讲述 RSA 算法的基本数学原理。

一堆符号，解释下，E 代表 Encryption，D 代表 Decryption，N 代表 Number。

从公式种能够看出来，RSA的加解密数学公式非常简单（即非常美妙）。 RSA 最复杂的并非加解密运算，而是如何生成密钥对 ，这和对称密钥算法是不太一样的。 而所谓的严密的数学计算关系，就是指 E 和 D 不是随便选择的 。

密钥对的生成，是 RSA 最核心的问题，RSA 的美妙与奥秘也藏在这里面。

1. 求N

求 N 公式：N = p × q

其中， p 和 q 是两个质数 ，而且应该是很大又不是极大的质数。如果太小的话，密码就容易被破解；如果极大的话，计算时间就会很长。比如 512 比特的长度（155 位的十进制数字）就比较合适。

这样的质数是如何找出来的呢？ 需要通过 “伪随机数生成器（PRNG）” 进行生成，然后再判断其是否为质数 。如果不是，就需要重新生成，重新判断。

2. 求L

求 L 公式：L = lcm(p-1, q-1)

lcm 代表 “最小公倍数（least common multiple）” 。注意，L 在加解密时都不需要， 仅出现在生成密钥对的过程中 。

3. 求E

E 要满足两个条件：
1）1 < E < L
2）gcd(E,L) = 1

gcd 代表 “最大公约数（greatest common divisor）” 。gcd(E,L) = 1 就代表 “E 和 L 的最大公约数为1，也就是说， E 和 L 互质 ”。

L 在第二步已经计算出来，而为了找到满足条件的 E， 第二次用到 “伪随机数生成器（PRNG）” ，在 1 和 L 之间生成 E 的候选，判断其是否满足 “gcd(E,L) = 1” 的条件。

经过前三步，已经能够得到密钥对种的 “公钥：E, N” 了。

4. 求D

D 要满足两个条件：
1）1 < D < L
2）E × D mod L = 1

只要 D 满足上面的两个条件，使用 E, N 进行加密的报文，就能够使用 D, N 进行解密。

至此，N、L、E、D 都已经计算出来，再整理一下

模拟实践的过程包括两部分，第一部分是生成密钥对，第二部分是对数据进行加解密。为了方便计算，都使用了较小的数字。

第一部分：生成密钥对

1. 求N
准备两个质数，p = 5，q = 7，N = 5 × 7 = 35

2. 求L
L = lcm(p-1, q-1) = lcm (4, 6) = 12

3. 求E
gcd(E, L) = 1，即 E 和 L 互质，而且 1 < E < L，满足条件的 E 有多个备选：5、7、11，选择最小的 5 即可。于是，公钥 = E, N = 5, 35

4. 求D
E × D mod L = 1，即 5 × D mod 12 = 1，满足条件的 D 也有多个备选：5、17、41，选择 17 作为 D（如果选择 5 恰好公私钥一致了，这样不太直观），于是，私钥 = D, N = 17, 35

至此，我们得到了公私钥对：

第二部分：模拟加解密

明文我们也使用一个比较小的数字 -- 4，利用 RSA 的加密公式：

密文 = 明文 ^ E mod N = 4 ^ 5 mod 35 = 9
明文 = 密文 ^ D mod N = 9 ^ 17 mod 35 = 4

从这个模拟的小例子能够看出，即使我们用了很小的数字，计算的中间结果也是超级大。如果再加上伪随机数生成器生成一个数字，判断其是否为质数等，这个过程想想脑仁儿就疼。还好，现代芯片技术，让计算机有了足够的运算速度。然而，相对于普通的逻辑运算，这类数学运算仍然是相当缓慢的。这也是一些非对称密码卡/套件中，很关键的性能规格就是密钥对的生成速度

公钥密码体系中，用公钥加密，用私钥解密，公钥公开，私钥隐藏。因此：

加密公式为：密文 = 明文 ^ E mod N

破译的过程就是对该公式进行逆运算。由于除了对明文进行幂次运算外， 还加上了“模运算” ，因此在数学上， 该逆运算就不再是简单的对数问题，而是求离散对数问题，目前已经在数学领域达成共识，尚未发现求离散对数的高效算法 。

暴力破解的本质就是逐个尝试。当前主流的 RSA 算法中，使用的 p 和 q 都是 1024 位以上，这样 N 的长度就是 2048 位以上。而 E 和 D 的长度和 N 差不多，因此要找出 D，就需要进行 2048 位以上的暴力破解。即使上文那个简单的例子，算出（ 蒙出 ） “9 ^ D mod 35 = 4” 中的 D 也要好久吧。

因为 E 和 N 是已知的，而 D 和 E 在数学上又紧密相关（通过中间数 L），能否通过一种反向的算法来求解 D 呢？

从这个地方能够看出，p 和 q 是极为关键的，这两个数字不泄密，几乎无法通过公式反向计算出 D。也就是说， 对于 RSA 算法，质数 p 和 q 绝不能被黑客获取，否则等价于交出私钥 。

既然不能靠抢，N = p × q，N是已知的，能不能通过 “质因数分解” 来推导 p 和 q 呢？或者说， 一旦找到一种高效的 “质因数分解” 算法，就能够破解 RSA 算法了 。

幸运的是，这和上述的“离散对数求解”一样，当下在数学上还没有找到这种算法，当然，也无法证明“质因数分解”是否真的是一个困难问题 。因此只能靠硬算，只是当前的算力无法在可现实的时间内完成。 这也是很多人都提到过的，“量子时代来临，当前的加密体系就会崩溃”，从算力的角度看，或许如此吧 。

既不能抢，也不能算，能不能猜呢？也就是通过 “推测 p 和 q 进行破解” 。

p 和 q 是通过 PRNG（伪随机数生成器）生成的，于是，又一个关键因素，就是采用的 伪随机数生成器算法要足够随机 。

随机数对于密码学极为重要，后面会专门写一篇笔记 。

前三种攻击方式，都是基于 “硬碰硬” 的思路，而 “中间人攻击” 则换了一种迂回的思路，不去尝试破解密码算法，而是欺骗通信双方，从而获取明文。具体来说，就是： 主动攻击者 Mallory 混入发送者和接收者之间，面对发送者伪装成接收者，面对接收者伪装成发送者。

这个过程可以重复多次。需要注意的是，中间人攻击方式不仅能够针对 RSA，还可以针对任何公钥密码。能够看到，整个过程中，公钥密码并没有被破译，密码体系也在正常运转，但机密性却出现了问题，即 Alice 和 Bob 之间失去了机密性，却在 Alice 和 Mallory 以及 Mallory 和 Bob 之间保持了机密性。即使公钥密码强度再强大 N 倍也无济于事。也就是说，仅仅依靠密码算法本身，无法防御中间人攻击 。

而能够抵御中间人攻击的，就需要用到密码工具箱的另一种武器 -- 认证 。在下面一篇笔记中，就将涉及这个话题。

好了，以上就是公钥密码的基本知识了。

公钥密码体系能够完美的解决对称密码体系中 “密钥配送” 这个关键问题，但是抛开 “中间人攻击” 问题不谈，公钥密码自己也有个严重的问题：

公钥密码处理速度远远低于对称密码。不仅体现在密钥对的生成上，也体现在加解密运算处理上。

因此，在实际应用场景下，往往会将对称密码和公钥密码的优势相结合，构建一个 “混合密码体系” 。简单来说： 首先用相对高效的对称密码对消息进行加密，保证消息的机密性；然后用公钥密码加密对称密码的密钥，保证密钥的机密性。

下面是混合密码体系的加解密流程图。整个体系分为左右两个部分：左半部分加密会话密钥的过程，右半部分是加密原始消息的过程。原始消息一般较长，使用对称密码算法会比较高效；会话密钥一般比较短（十几个到几十个字节），即使公钥密码算法运算效率较低，对会话密钥的加解密处理也不会非常耗时。

著名的密码软件 PGP、SSL/TLS、视频监控公共联网安全建设规范（GB35114） 等应用，都运用了混合密码系统。

好了，以上就是公钥密码算法的全部内容了，拖更了很久，以后还要更加勤奋一些。

为了避免被傻啦吧唧的审核机器人处理，后面就不再附漂亮姑娘的照片（也是为了你们的健康），改成我的摄影作品，希望不要对收视率产生影响，虽然很多小伙儿就是冲着姑娘来的。

就从喀纳斯之旅开始吧。

区块链中的密码学：非对称加密

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在区块链世界中，我们都能经常看到一个词，叫非对称加密，究竟什么是非对称加密呢？

非对称加密，又称为公开密钥加密，是密码学的一种算法，它需要两个密钥，一个是公开密钥，另一个是私有密钥；一个用作加密的时候，另一个则用作解密；

由私钥可以推算出公钥，但是知道公钥，在实际情况中不可能推算出私钥，所以公钥是公开的，而私钥由用户自行秘密保管。

非对称加密类似于一个公开的邮箱，投递口是任何人都可以寄信进去的，这可视为公钥；而只有邮箱主人拥有钥匙可以打开邮箱，这就视为私钥。

在了解非对称加密前，我们需要了解什么是对称加密？

对称加密，也称为单密钥加密，是指采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密。

用一个现实世界上的例子是，一个传统保管箱，开门和关门都是使用同一条钥匙，这是对称加密；

但是对称加密在互联网中传输信息，就会产生两个问题：

1. 没有创建安全通道前，如何实现安全通讯？

这是一个先有鸡还是先有蛋的问题，如果在先发送加密数据，但是不知道解密密钥，无法正确解密数据；如果先明文发送密钥，这种加密又有什么意义呢？

2. 如何确保是由发送人发出的信息？

在这个虚拟的互联网中，就算把数据加密，但是如果黑客劫持了你的网络，发送加密信息，这种数据又有什么意义呢？

为了解决这两个问题，所以产生了非对称加密，这个加密思想是 1974 年由 Merkle 提出，1976 年由斯坦福大学的两位教授 Diffie 和 Hellman 完善。

我们先来看看第一个问题，如何实现安全通讯？

维基百科上举了一个爱丽丝与鲍伯的例子：

1. 爱丽丝与鲍伯事先互不认识，也没有可靠安全的沟通渠道，但爱丽丝现在却要通过不安全的互联网向鲍伯发送信息

2. 爱丽丝撰写好原文，原文在未加密的状态下称之为明文 x

3. 鲍伯使用密码学伪随机数产生一对密钥，其中一个作为公钥为 c，另一个作为私钥 d

4. 鲍伯可以用任何方法发送公钥 c 给爱丽丝，即使黑客在中间窃听到 c 也没问题

5. 爱丽丝用公钥 c 把明文 x 进行加密，得到密文 c(x)

6. 爱丽丝可以用任何方法传输密文 c(x) 给鲍伯，即使伊夫在中间窃听到密文 c(x) 也没问题

7. 鲍伯收到密文，用私钥 d 对密文进行解密 d(c(x))，得到爱丽丝撰写的明文 x

8. 由于黑客没有得到鲍伯的私钥 d，所以无法得知明文 x

这个过程简单来说就是公钥加密明文 c(x) 只有用私钥才能解密，即 d(c(x))，最终得出了明文 x。

我们再来看第二个问题，如何确保是由发送人发出的信息？

如果某一用户使用他的私钥加密明文，任何人都可以用该用户的公钥解密密文；由于私钥只由该用户自己持有，故可以肯定该文件必定出自于该用户。

这就引申了一个概念叫：数字签名，即只有信息的发送者才能产生的，别人无法伪造的数据，这段数据同时也是对信息的发送者，发送信息真实性的一个有效证明。

由此可见非对称加密的优点：

1. 创建了一个信息安全通道

2. 为信息发送者提供数字身份的认证

但是缺点也很明显，计算太复杂，性能欠佳。

常见的公钥加密算法有：RSA、椭圆曲线加密算法、ElGamal等等，使用最广泛的是RSA算法。

由公钥为什么不能推算出私钥呢？RSA 算法又究竟是怎么实现的呢？这个问题比较复杂，有兴趣可以去看一下，华南理工大学的计算机网络安全课程 公开密钥密码学。