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图文结合彻底理解非对称加密（公钥密钥）、RSA原理及安全性

《加密就像玩魔方----图文详解对称加密（DES、AES）》

前文详细讲解了对称加密及算法原理（传送门《》）。那么是不是对称加密就万无一失了呢？对称加密有一个天然的缺点，就是加密方和解密方都要持有同样的密钥。你可以能会提出疑问：既然要加、解密，当然双方都要持有密钥，这有什么问题呢？别急，我们继续往下看。

对称密钥的缺点

我们先看一个例子，小明和小红要进行通信，但是不想被其他人知道通信的内容，所以双方决定采用对称加密的方式。他们做了下面的事情：

1、双方商定了加密和解密的算法

2、双方确定密钥

3、通信过程中采用这个密钥进行加密和解密

这是不是一个看似完美的方案？但其中有一个步骤存在漏洞！

问题出在步骤2：双方确定密钥！

你肯定会问，双方不确定密钥，后面的加、解密怎么做？

问题在于确定下来的密钥如何让双方都知道。密钥在传递过程中也是可能被盗取的！这里引出了一个经典问题：密钥配送问题。

密钥配送问题

小明和小红在商定密钥的过程中肯定会多次沟通密钥是什么。即使单方一次确定下来，也要发给对方。加密是为了保证信息传输的安全，但密钥本身也是信息，密钥的传输安全又该如何保证呢？难不成还要为密钥的传输再做一次加密？这样不就陷入了死循环？

你是不是在想，密钥即使被盗取，不还有加密算法保证信息安全吗？如果你真的有这个想法，那么赶紧复习一下上一篇文章讲的杜绝隐蔽式安全性。任何算法最终都会被破译，所以不能依赖算法的复杂度来保证安全。

小明和小红现在左右为难，想加密就要给对方发密钥，但发密钥又不能保证密钥的安全。他们应该怎么办呢？

有如下几种解决密钥配送问题的方案：

事先共享密钥
密钥分配中心
Diffie-Hellman密钥交换
非对称加密

本文就不展开讲每种方式，这里只是为了引出今天的主角——非对称加密。

非对称加密

非对称加密也称为公钥密码。我更愿意用非对称加密这种叫法。因为可以体现出加密和解密使用不同的密钥。

对称加密中，我们只需要一个密钥，通信双方同时持有。而非对称加密需要4个密钥。通信双方各自准备一对公钥和私钥。其中公钥是公开的，由信息接受方提供给信息发送方。公钥用来对信息加密。私钥由信息接受方保留，用来解密。既然公钥是公开的，就不存在保密问题。也就是说非对称加密完全不存在密钥配送问题！你看，是不是完美解决了密钥配送问题？

回到刚才的例子，小明和下红经过研究发现非对称加密能解决他们通信的安全问题，于是做了下面的事情：

1、小明确定了自己的私钥 mPrivateKey，公钥 mPublicKey。自己保留私钥，将公钥mPublicKey发给了小红

2、小红确定了自己的私钥 hPrivateKey，公钥 hPublicKey。自己保留私钥，将公钥 hPublicKey 发给了小明

3、小明发送信息 “周六早10点soho T1楼下见”，并且用小红的公钥 hPublicKey 进行加密。

4、小红收到信息后用自己的私钥 hPrivateKey 进行解密。然后回复 “收到，不要迟到” 并用小明的公钥mPublicKey加密。

5、小明收到信息后用自己的私钥 mPrivateKey 进行解密。读取信息后心里暗想：还提醒我不迟到？每次迟到的都是你吧？

以上过程是一次完整的request和response。通过这个例子我们梳理出一次信息传输的非对称加、解密过程：

1、消息接收方准备好公钥和私钥

2、私钥接收方自己留存、公钥发布给消息发送方

3、消息发送方使用接收方公钥对消息进行加密

4、消息接收方用自己的私钥对消息解密

公钥只能用做数据加密。公钥加密的数据，只能用对应的私钥才能解密。这是非对称加密的核心概念。

下面我用一个更为形象的例子来帮助大家理解。

我有下图这样一个信箱。

由于我只想接收我期望与之通信的朋友信件。于是我在投递口加了一把锁，这把锁的钥匙（公钥）我可以复制n份，发给我想接受其信件的人。只有这些人可以用这把钥匙打开寄信口，把信件投入。

收信门是另外一把锁，打开后可以拿出所有的信件。寄信口的钥匙并不能打开这把锁。这把锁的钥匙（私钥）当然只有我有。我可以用这把钥匙打开信箱门，取出所有发给我的信件。

相信通过这个例子，可以帮助大家彻底理解公钥和私钥的概念。

非对称加密算法

RSA 是现在使用最为广泛的非对称加密算法，本节我们来简单介绍 RSA 加解密的过程。

RSA 加解密算法其实很简单：
密文 = 明文 E m o d N 密文=明文^E mod N 密文=明文EmodN

明文 = 密文 D m o d N 明文=密文^D mod N 明文=密文DmodN

RSA 算法并不会像对称加密一样，用玩魔方的方式来打乱原始信息。RSA 加、解密中使用了是同样的数 N。公钥是公开的，意味着 N 也是公开的。所以私钥也可以认为只是 D。

我们接下来看一看 N、E、D 是如何计算的。

1、求 N

首先需要准备两个很大质数 a 和 b。太小容易破解，太大计算成本太高。我们可以用 512 bit 的数字，安全性要求高的可以使用 1024，2048 bit。
N = a ∗ b N=a*b N=a∗b
2、求 L

L 只是生成密钥对过程中产生的数，并不参与加解密。L 是 (a-1) 和 (b-1) 的最小公倍数

3、求 E（公钥）

E 有两个限制：
1 < E < L 1<E<L 1<E<L

E 和 L 的最大公约数为 1 E和L的最大公约数为1 E和L的最大公约数为1

第一个条件限制了 E 的取值范围，第二个条件是为了保证有与 E 对应的解密时用到的 D。

4、求 D（私钥）

D 也有两个限制条件：
1 < D < L 1<D<L 1<D<L

E ∗ D m o d L = 1 E*D mod L = 1 E∗DmodL=1

第二个条件确保密文解密时能够成功得到原来的明文。

由于原理涉及很多数学知识，这里就不展开细讲，我们只需要了解这个过程中用到这几个数字及公式。这是理解RSA 安全性的基础。

RSA的安全性

暴力破解私钥（D）

由于 N 在公钥中是公开的，那么只需要破解 D，就可以解密得到明文。

在实际使用场景中，质数 a,b 一般至少1024 bit，那么 N 的长度在 2048 bit 以上。D 的长度和 N 接近。以现在计算机的算力，暴力破解 D 是非常困难的。

通过公钥（E、N）计算出私钥（D）

公钥是公开的，也就是说 E 和 N 是公开的，那么是否可以通过 E 和 N 推断出 D 呢？

E*D mod L = 1

想要推算出 D 就需要先推算出 L。L 是 (a-1) 和 (b-1) 的最小公倍数。想知道 L 就需要知道质数 a 和 b。破解者并不知道这两个质数，想要破解也只能通过暴力破解。这和直接破解 D 的难度是一样的。

等等，N 是公开的，而 N = a*b。那么是否可以对 N 进行质因数分解求得 a 和 b 呢？好在人类还未发现高效进行质因数分解的方法，因此可以认为做质因数分解非常困难。

但是一旦某一天发现了快速做质因数分解的算法，那么 RSA 就不再安全

潜在的危险

我们可以看出大质数 a 和 b 在 RSA 算法中的重要性。保证 a 和 b 的安全也就确保了 RSA 算法的安全性。a 和 b 是通过伪随机生成器生成的。一旦伪随机数生成器的算法有问题，导致随机性很差或者可以被推断出来。那么 RSA 的安全性将被彻底破坏。

中间人攻击

中间人攻击指的是在通信双方的通道上，混入攻击者。他对接收方伪装成发送者，对发送方伪装成接收者。

他监听到双方发送公钥时，偷偷将消息篡改，发送自己的公钥给双方。然后自己则保存下来双方的公钥。

如此操作后，双方加密使用的都是攻击者的公钥，那么后面所有的通信，攻击者都可以在拦截后进行解密，并且篡改信息内容再用接收方公钥加密。而接收方拿到的将会是篡改后的信息。实际上，发送和接收方都是在和中间人通信。

要防范中间人，我们需要使用公钥证书。这部分内容在下一篇文章里会做介绍。

总结

和对称加密相比较，非对称加密有如下特点：

1、非对称加密解决了密码配送问题

2、非对称加密的处理速度只有对称加密的几百分之一。不适合对很长的消息做加密。

3、1024 bit 的 RSA不应该在被新的应用使用。至少要 2048 bit 的 RSA。

RSA 解决了密码配送问题，但是效率更低。所以有些时候，根据需求可能会配合使用对称和非对称加密，形成混合密码系统，各取所长。

最后提醒大家，RSA 还可以用于签名，但要注意是私钥签名，公钥验签。发信方用自己的私钥签名，收信方用对方公钥验签。关于签名，后面的文章会再详细讲解。

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