“不给力啊,老湿!”:RSA加密与破解

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作者:Vamei 出处:http://www.cnblogs.com/vamei 欢迎转载,也请保留这段声明。谢谢!

加密和解密是自古全部都会技术了。老会 看到侦探电影的桥段,勇敢又机智的主角,拿着一长串毫无意义的数字苦恼,忽然灵光一闪,翻出一本厚书,将第兩个数字对应页码数,第兩个数字对应行数,第兩个数字对应那一行的某个词。数字变成了一串非常有意义语录:

Eat the beancurd with the peanut. Taste like the ham.

主角喜极而泣……

某种加密最好的法律依据 是将全都我的某种信息按照某个规律打乱。某种打乱的最好的法律依据 就叫做密钥(cipher code)。发出信息的人根据密钥来给信息加密,而接收信息的人利用相同的密钥,来给信息解密。就好像兩个带锁的盒子。发送信息的人将信息放在去盒子里,用钥匙锁上。而接受信息的人则用相同的钥匙打开。加密和解密用的是同兩个密钥,某种加密称为对称加密(symmetric encryption)。

但是一对一语录,那么两人不可不还都后能 交换兩个密钥。一对多语录,比如总部和多个特工的通信,依然可不还都后能 使用同一套密钥。但某种清况 下,对手偷到兩个密钥语录,就知道所有交流的信息了。二战中盟军的情报战成果,全都都来自于破获某种对称加密的密钥。

二战中德军的传奇加密机:Enigma

为了更安全,总部不可不还都后能 给每个特工都设计兩个不同的密钥。但是是FBI全都我庞大的机构,恐怕没能维护那么多的密钥。在现代社会,每当事人的信用卡信息都不可不还都后能 加密。一一设计密钥语录,银行怕是要跪了。

对称加密的薄弱之处于于给了太满人的钥匙。但是只给特工锁,而总部保有钥匙,那就容易了。特工将信息用锁锁到盒子里,谁也打不开,除非到总部用唯一的一把钥匙打开。全都我全都我语录,特工每次出门全部都会带上许多锁,太容易被识破身份了。总部老大想了想,干脆就把造锁的技术公开了。特工,但是任何其它人,可不还都后能 就地取材,按照图纸造锁,但无法根据图纸发明人钥匙。钥匙不可不还都后能 总部的那一把。

上面的关键是锁和钥匙工艺不同。知道了锁,未必能知道钥匙。全都我,银行可不还都后能 将“造锁”的最好的法律依据 组阁 给所有用户。每个用户可不还都后能 用锁来加密当事人的信用卡信息。即使被别人窃听到,全都我用担心:不可不还都后能 银行才有钥匙呢!全都我某种加密算法叫做非对称加密(asymmetric encryption)。非对称加密的经典算法是RSA算法。它来自于数论与计算机计数的奇妙结合。

为了了解RSA加密,请听兩个卧底的自白:

RSA加密

我是潜伏在龙凤大酒楼的卧底。想让下面信息以加密的最好的法律依据 发送到总部:

A CHEF HIDE A BED

厨子藏起来了一张床!这是那么的重要,不可不还都后能 立即通知总部。千万重要的是,不可不还都后能 让反革命的厨子知道。

第一步是转码,也全都我将英文转换成某个对应的数字。某种对应很容易建立,比如:

A B C D E F G H I
1 2 3 4 5 6 7 8 9

将上面的信息转码,获得下面的数字序列:



A CHEF HIDE A BED 1 3856 8945 1 254

这串数字全部那么哪几个秘密可言。厨子发现了这串数字但是,很容易根据数字顺序,对应字母表猜出来。

为了和狡猾的厨子斗智斗勇,许多人不可不还都后能 对这串数字进一步加密。使用总部发给许多人的锁,兩个数字:3和10。许多人分为两步正确处理。

第一步是求乘方。第兩个数字是3,也全都我说,总部指示许多人,求上面数字串的3次方:

原字符串: 1   3   8   5   6   8   9   4   5   1   2   5   4

三次乘方: 1  27 512 125 216 512 729  64 125   1   8 125  64

第二步是求余数。第兩个上锁的数字是10,将上面每个三次乘方除以10,获得其余数:

余数: 1 7 2 5 6 2 9 4 5 1 8 5 4

将这串数字发回总部。中途被厨子偷看到,但一时不可不还都后能 了解其中的意思。但是还是像刚才一样对应字母表语录,信息是:

AGBEFBIDEAHED

这串字母全部不含高正常的单词。

信息到了总部。总部现在开始用神奇的钥匙来解读。某种钥匙是3。(偷偷告诉你的,别告诉厨子。)

(这里钥匙不小心和但是锁中的兩个数字相同。这全都我巧合。)

解锁过程也是两步。第一步求钥匙次的乘方,即3次方。第二步求它们除以10(锁之一)的余数。

加密信息:1   7   2   5   6   2   9   4   5   1   8   5   4

三次乘方:1 343   8 125 216   8 729  64 125   1 512 125  64 (这里用的是钥匙的“3”)

除十得余:1   3   8   5   6   8   9   4   5   1   2   5   4

正是许多人发送的信息。对应字母表,总部可不还都后能 立即知道全都我的信息。

特工练习

再次强调,为了演示方便,确定 了简单的锁和钥匙。锁和钥匙全都我凑巧相同。为此,许多人做兩个小练习。

练习:总部新组阁 出来的锁是2987(次乘方)和3937(为除数)。

1) 作为特工,用上面的算法为信息加密(你但是不可不还都后能 许多编程来计算,尝试用Python的数学计算功能?)。

猜到钥匙是哪几个了呢?全部都会上面兩个数字中的任何兩个,全都我143!

2) 作为值班人员,验证143是钥匙,可不还都后能 解密信息。

为了简便,让他只检验兩个简单的信息,比如“IE”。

下面是我根据某种练习写的兩个Python小应用程序。这里的转码用的是ASCII编码标准,而全部都会上面的A对应1,B对应2。

# By Vamei

#==== Agent ========
# coding covert: string to number
# By ASCII convention
def convert(original):
    return map(ord, original)

# the input is a list of integers
def encrypt(input_list):
    f = lambda x: (x**2987)%3937
    return map(f, input_list)

#==== Headquarter =====
# the input is the result of the encrypt function
def decrypt(encrypted_list):
    f = lambda x: (x**143)%3937
    return map(f, encrypted_list)

# convert numbers back to a string
def inv_convert(decrypt_list):
    f = lambda x: str(unichr(x))
    result = map(f, decrypt_list)
    return "".join(result)

# Test
message = "Go to hell!"
secret = encrypt(convert(message))
print(secret)
public = inv_convert(decrypt(secret))
print(public)

费马与欧拉

发觉当事人被愚弄了,厨子很生气,后果很严重。厨子发奋看到书,知道了某种加密最好的法律依据 叫RSA,是三为发明人人 R. Rivest, A. Shamir和L. Adelman名字首字母合起来的。RSA算法是1977年发明人的。全称是RSA Public Key System。某种"Public Key"是公共密钥,也全都我许多人上面说的锁。再读下去,厨子大窘。某种1977年的,现代计算机加密的RSA算法,你以为源于17世纪。

1. 费马小定律

RSA的原理借助了数论中的“欧拉定理”(Euler's theorem)。17世纪的费马首先给出兩个该定理的特殊形式,即“费马小定理”:

p是兩个正的质数,a是任意兩个不可不还都后能 被p整除的整数。那么,[$a^{p-1} - 1$]能被p整除。

许多人未必不可不还都后能 过深入了解费马小定理,但是等下就会看到某种定理的“升级版”。但某种定理依然很美妙,它优美的得到乘方和整除的某种特殊关系。使用兩个例子来说明它。比如[$p = 7,a = 3$]。那么费马小定律表示,[$3^{ 7 - 1} - 1$]可不还都后能 被7整除。

事实上,上面的数字计算得到[$3^6 - 1 = 728$],它真是可不还都后能 被7整除。

练习:尝试兩个其它的例子,比如[$p = 5, a = 4$],验证费马小定律算是 成立。

*** 数学小贴士:

1) 除 (divide),商余数:兩个整数相除,有兩个为整数的商,和兩个余数。比如[$10/3 = 3, \,余1$]。许多人用兩个有点儿的最好的法律依据 记录某种叙述:

$$10 \equiv 1 (mod\, 3)$$

也可不还都后能 写成另某种最好的法律依据 :

$$[10]_3 = [1]_3$$

某种表述最好的法律依据 与“10除以3,得3余1”全都我的最好的法律依据 并那么哪几个区别。但采用标准的数学最好的法律依据 更容易和别人交流。

但是许多人知道:

$$[a]_n = [b]_n$$

那么处于某个整数t,且:

$$a = nt + b$$

2) 整除 (divisible):当兩个整数a除以全都我整数b,余数为0时,那么许多人说a可不还都后能 被b整除。比如说,4可不还都后能 被2整除。即

$$[4]_2 = [0]_2$$

3) 质数 (prime number):兩个质数是不可不还都后能 被[$ \pm 1$]和某种数自身整除的整数(不包括[$ \pm 1$])。比如[$2,3,5,7,11,13$]等等。

******

费马是一名律师,也是一名业余数学家。他对数学贡献很大,堪称“业余数学家之王”。比如他和帕斯卡的通信算是 概率论的开端。还有“费马大定理”,但是称为“费马猜想”。费马有在书边写注释的习惯。他在页边角写下了费马猜想,并说:

我发现了兩个美妙的证明,但但是空白太小而那么写下来。

费马当事人的证明那么再被发现。“费马猜想”的证明是400多年后,以现代数学为工具证得的,而哪几个数学工具在费马的时代是不处于的。这原应现代的数学家怀疑费马是全部都会在吹牛。费马小定理是费马的全都我定理。在费马那里,也还是个猜想。证明要等到欧拉。

应用程序员们:注释要全部啊!

2. 欧拉定律

时间流过一百年。欧拉是18世纪的瑞典数学家。这位数学巨人写了75本数学专著,几乎把当时所有的数学领域都征服了一遍。欧拉但是被叶卡捷琳娜二世邀请到俄国。据说,无神论者狄徳罗造访俄国,他宣称上帝未必处于,靠雄辩击败了整个俄国宫廷。欧拉曾醉心神学,对上帝很虔诚。欧拉看不下去了,上前说,“先生,[$e^{i\pi} + 1= 0$],全都上帝处于。请回答!” 狄徳罗败给某种间题图片,灰溜溜的走了。

(某种传说的可信度不高,但是狄徳罗当事人也是一位颇有造诣的数学家。)

欧拉定理(Euler's theorem)是欧拉在证明费马小定理的过程中,发现的兩个适用性更广的定理。

首先定义兩个函数,叫做欧拉Phi函数,即[$\phi(n)$],其中,n是兩个正整数。

$$\phi(n) = 总数(从1到n-1,与n互质的整数)$$

比如5,那么1,2,3,4,都与5互质。与5互质的数有兩个。[$\phi(5) = 4$]

再比如6,与1,5互质,与2,3,4未必互质。有但是,[$\phi(6) = 2$]

对于兩个质数p来说,它和1, 2, 3, ..., p - 1都互质,全都[$\phi(p) = p - 1$]。比如[$\phi(7) = 6, \phi(11) = 10$]

*** “互质”的数学小贴士:

1) 因子 (factor):每个整数都可不还都后能 写成质数相乘的形式,每个全都我的质数称为该整数的兩个因子。

2) 互质 (relative prime):但是兩个整数那么公共因子,某种个质数互质。

******

欧拉定理叙述如下:

但是n是兩个正整数,a是任意兩个非0整数,且n和a互质。那么,[$a^{\phi(n)} - 1$]可不还都后能 被n整除。  (1)

但是质数p有[$\phi(p) = p - 1$]。有但是,从欧拉定理可不还都后能 推出费马小定理。许多人可不还都后能 只使用欧拉定理,把费马小定理抛到脑后了。许多人用兩个例子简单的检验欧拉定理。但是n是6,那么[$\phi(6) = 2$]。让a是11,和6互质。[$11^2 - 1$]为120,真是可不还都后能 被n,也全都我6整除,符合欧拉定理。

数学中还有兩个关于Phi函数的推论

m和n是互质的正整数。那么,[$\phi(mn) = \phi(m) \phi(n)$]        (2)

RSA西游记

下面许多人要进入实质的证明。除了上面的(1)和(2)推论,还不可不还都后能 提前说明兩个间题图片,即:

[$[ab]_n = [a]_n[b]_n$]        (3)

证明:假设a和b除以n的余数为[$c_1, c_2$]。a和b可不还都后能 写成[$a = nt_1 + c_1, b = nt_2 + c_2$]。那么,[$ab = n^2t_1t_2 + nt_1c_2 + nt_2c_1 + c_1c_2$]。有但是ab除以n的余数为[$c_1c_2$]。即[$[ab]_n = [a]_n[b]_n$]。

根据此可不还都后能 推论,[$[a^m]_n = [a]_n^m$]。

演一出叫做“西游记”的大戏,选角现在开始:

先确定 兩个质数p和q,分别是沙和尚和白龙马。让[$n = pq$],n是唐僧。一路向西,唐僧靠的是沙和尚和白龙马出力:兩个背行李,兩个驮人。

而[$k = \phi(n) = (p - 1)(q - 1)$]。这里使用了(2)以及“质数p的Phi函数值为p-1”。k是八戒,也全都我Phi(唐僧),全都我唐僧的兩个跟屁虫。

确定 任意d,并保证它与k互质。d是观音。观音姐姐在高老庄,真的是把八戒给“质”了一把。

取整数e,使得[$[de]_k = [1]_k$]。也全都我说[$de = kt + 1$],t为某一整数。e是悟空,横行无忌。

许多人记得公开的用来上锁的兩个数字,它们分别是悟空e和唐僧n。悟空威力大,负责乘方。唐僧太唠叨:一切妖怪见到它,就变成了余数。悟空和唐僧合作协议最好的法律依据 ,就把世界搞乱了。

总部的观音姐姐d看不下去了。观音姐姐威力也大,也是乘方。再逼着唐僧重新唠叨。世界就恢复了。

善哉,善哉!

许多人看一下某种魔幻大片“西游记”的现实主义原理。根据欧拉定理(1),对于任意z,但是z与n互质,那么:

$$[z^{\phi(n)}]_n = [z^k]_n = [1]_n$$

有但是,

$$[z^{de}]_n = [z^{kt + 1}]_n = [(z^k)^tz]_n =  [z]_n$$

上面主要使用了[$de = kt + 1$]以及(3)。也全都我说:

$$[z^{de}]_n = [z]_n$$

根据(3)的推论,有

$$([z^e]_n)^d = [z]_n$$

妖怪z,经过e和d的各一道,又变回了妖!上面过程中,悟空e和观音d忙得不亦乐乎,唐僧n就在一旁边唠叨边打酱油了。

某种等式,也正是许多人加密又解密的过程 (加密: 悟空次方 + 唐僧唠叨。解密: 观音次方 + 唐僧唠叨)。悟空和唐僧是公钥,扔出去亮相。观音是私钥,偷偷藏起来,必要的但是才出来。

(上面都默认余数是最小正余数,也全都我说,10除以3的余数为1,而全部都会4。尽管4也可不还都后能 算是 10的余数,即[$[4]_3 = [10]_3$]。)

姐姐,饶了我吧。

3和8兩个妖怪见到唐僧5,都被唠叨成了余数3。全都让他观音姐姐就算法力无边,还是那么还原。为了让唐僧求余的但是,无需把数字弄混了,RSA算法要求所有妖怪z小于唐僧n。为了对足够多的字符转码加密,n不可不还都后能 大过最大的妖怪。

但唐僧n大更重要的原应是要保护马仔。想破解,不可不还都后能 找到观音。回顾许多人确定 角色的过程。许多人可不还都后能 全都我破解:唐僧n是公开的,1) 先找到它的隐藏手下沙和尚和白龙马。2) 沙和尚和白龙马知道了,那么二师兄k就保不住了。3) de = kt + 1,即找到兩个e,可不还都后能 让de - 1被k整除。观音姐姐就找到了。

上面的整个破解过程中,最困难的是第一步,即找到兩个隐藏的打手。通常,p和q都会选的非常大,比如说400位。这原应唐僧n也非常大,有400位。寻找兩个400位数字的质数分解未必容易,许多人要做的除法运算次数离米 为[$\sqrt{10^{400}}/2$]。这是[$10^{199}$]次除法运算!天河2号每秒浮点运算是 [$10^{16}$]级别。那么,找到隐藏打手的工作,离米 不可不还都后能 [$10^{174}$]年……。某种活,看来不可不还都后能 佛祖干了。

练习 但是唐僧过低大语录,马仔就危险了。想想但是的厨子,知道悟空是3,唐僧是10。隐藏打手是谁? 八戒呢? 观音呢?

总之,带头大哥过低“罩”语录,团伙就要被一窝端了。

总结

正如我在“数学与编程”中提到的,数学可不还都后能 是应用程序员军火库含高力的武器。加密、解密某种事关IT安全的大课题,却和数论某种纯粹数科学学科处于奇妙的关系。RSA算法的数学基础在于欧拉定理。某种诞生了几百年那么哪几个实用性的数学理论,却在网络时代,找到当事人的栖身之处。

RSA算法是非对称算法。公开的加密最好的法律依据 ,私有的解密最好的法律依据 。RSA安全的关键在于没能对兩个大的整数进行因子分解。下一次,但是看到RSA被破解类似于的消息,卧底不可不还都后能 大喊一声:“不给力呀,老湿!”