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用 Python 来实现 RSA 加解密

昨天看到一篇英文文章[1],展示了如何用Python来实现RSA算法,代码的逻辑与前文一文搞懂RSA算法一样,不太熟悉RSA的朋友可以看一下一文搞懂RSA算法,里面对什么是RSA,RSA的数学原理进行了说明,并举了一个简单的例子,可以说是全知乎最容易读懂RSA的文章了(这话来自读者评论)。这篇英文提供的代码我运行了下,发现不能加密中文,于是就修改了下加解密的函数,让其支持中文加解密。今天的文章就分享一下如何用Python来实现RSA加解密的这一过程,帮助你建立RSA

本文目录

    昨天看到一篇英文文章[1],展示了如何用 Python 来实现 RSA 算法,代码的逻辑与前文一文搞懂 RSA 算法一样,不太熟悉 RSA 的朋友可以看一下一文搞懂 RSA 算法,里面对什么是 RSA,RSA 的数学原理进行了说明,并举了一个简单的例子,可以说是全知乎最容易读懂 RSA 的文章了(这话来自读者评论)。

    这篇英文提供的代码我运行了下,发现不能加密中文,于是就修改了下加解密的函数,让其支持中文加解密。今天的文章就分享一下如何用 Python 来实现 RSA 加解密的这一过程,帮助你建立 RSA 的直观认识,代码里的随机素数生成算法,也值得我们学习。

    0、效果演示

    咱们先看下效果。

    原文:“有内鬼,终止交易”

    用 Python 来实现 RSA 加解密

    密文,根本无法破解:

    用 Python 来实现 RSA 加解密

    解密之后:

    用 Python 来实现 RSA 加解密

    完整代码公众号「Python七号」回复「rsa」获取。

    1、密钥对的生成

    思路:

    1)随机找两个质数(素数) p 和 q,p 与 q 越大,越安全,这里选择 1024 位的质数:

    p = genprime(1024)
    q = genprime(1024)

    genprime() 函数的实现过程先不说。

    2)计算他们的乘积 n = p * q 及 欧拉函数 lambda_n。

    n = p * q
    lambda_n = (p - 1) * (q - 1)

    3)随机选择一个整数 e,条件是 1 < e < lambda_n,且 e 与 lambda_n 互质。比如选择 35537,35537 只有 16 位,必然小于 lambda_n。

    e = 35537

    4)找到一个整数 d,可以使得 e * d 除以 lambda_n 的余数为 1,并返回密钥对。

    d = eucalg(e, lambda_n)[0]
    if d < 0: d += lambda_n
    return (d, n), (e, n)

    eucalg 函数的实现放后面说。

    至此,密钥对的生成的函数如下:

    def create_keys():
     p = genprime(1024)
     q = genprime(1024)
     n = p * q
     lambda_n = (p - 1) * (q - 1)
     e = 35537
     d = eucalg(e, lambda_n)[0]
     if d < 0: d += lambda_n
     return (d, n), (e, n)

    2、加解密的实现

    加密和解密的过程是一样的,公钥加密,私钥解密,反过来也可以,私钥加密,公钥解密,只不过前者我们叫加密,后者我们叫签名。

    具体的函数实现如下:

    def encrypt_data(data,key):
    e_data = []
    for d in data:
     e = modpow(d, key[0], key[1]) 
     e_data.append(e)
    return e_data
    
    ## 加密和解密的逻辑完全一样
    decrypt_data = encrypt_data

    这里面用到了 modpow 函数,它用来计算公式 b^e % n = r 的。

    • 如果是加密过程,那么 b 是明文,(n,e)为公钥,r 为密文。
    • 如果是解密过程,那么 b 是密文,(n,d)为私钥,r 为名文。

    modpow 的定义如下:

    def modpow(b, e, n):
     # find length of e in bits
     tst = 1
     siz = 0
     while e >= tst:
    tst <<= 1
    siz += 1
     siz -= 1
     # calculate the result
     r = 1
     for i in range(siz, -1, -1):
    r = (r * r) % n
    if (e >> i) & 1: r = (r * b) % n
     return r

    3、随机质数的生成函数

    随机质数的生成函数,其中用到了矩阵乘法和斐波那契数列,可见数学对于算法的重要性。

    # matrix multiplication
    def sqmatrixmul(m1, m2, w, mod):
     mr = [[0 for j in range(w)] for i in range(w)]
     for i in range(w):
    for j in range(w):
     for k in range(w):
    mr[i][j] = (mr[i][j] + m1[i][k] * m2[k][j]) % mod
     return mr
    
    # fibonacci calculator
    def fib(x, mod):
     if x < 3: return 1
     x -= 2
     # find length of e in bits
     tst = 1
     siz = 0
     while x >= tst:
    tst <<= 1
    siz += 1
     siz -= 1
     # calculate the matrix
     fm = [
    # function matrix
    [0, 1],
    [1, 1]
     ]
     rm = [
    # result matrix
    # (identity)
    [1, 0],
    [0, 1]
     ]
     for i in range(siz, -1, -1):
    rm = sqmatrixmul(rm, rm, 2, mod)
    if (x >> i) & 1:
     rm = sqmatrixmul(rm, fm, 2, mod)
    
     # second row of resulting vector is result
     return (rm[1][0] + rm[1][1]) % mod
    
    def genprime(siz):
     while True:
    num = (1 << (siz - 1)) + secrets.randbits(siz - 1) - 10;
    # num must be 3 or 7 (mod 10)
    num -= num % 10
    num += 3 # 3 (mod 10)
    # heuristic test
    if modpow(2, num - 1, num) == 1 and fib(num + 1, num) == 0:
     return num
    num += 5 # 7 (mod 10)
    # heuristic test
    if modpow(2, num - 1, num) == 1 and fib(num + 1, num) == 0:
     return num

    4、eucalg 函数的实现

    函数的本质在于求下面二元一次方程的解:

    e * x - lambda_n * y =1

    具体代码:

    def eucalg(a, b):
     # make a the bigger one and b the lesser one
     swapped = False
     if a < b:
    a, b = b, a
    swapped = True
     # ca and cb store current a and b in form of
     # coefficients with initial a and b
     # a' = ca[0] * a + ca[1] * b
     # b' = cb[0] * a + cb[1] * b
     ca = (1, 0)
     cb = (0, 1)
     while b != 0:
    # k denotes how many times number b
    # can be substracted from a
    k = a // b
    # swap a and b so b is always the lesser one
    a, b, ca, cb = b, a-b*k, cb, (ca[0]-k*cb[0], ca[1]-k*cb[1])
     if swapped:
    return (ca[1], ca[0])
     else:
    return ca

    5、测试

    test.py 脚本使用方法:

    1)、生成密钥

    python test.py make-keys rsakey

    公钥保存在 rsakey.pub 中, 私钥保存在 rsakey.priv 中

    2)、对文件内容加密

    假如有文件 明文.txt:

    python test.py encrypt 明文.txt from rsakey to 密文.txt

    将生成 密文.txt

    3、 对文件内容解密

    假如有文件 密文.txt:

    python test.py decrypt 密文.txt as rsakey to 解密后.txt

    将生成 解密后.txt

    最后的话

    本文分享了 RSA 算法的 Python 的简单实现,可以帮助理解 RSA 算法。


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