实战篇-OpenSSL之RSA算法-加密与数字签名

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实战篇-OpenSSL之RSA算法-加密与数字签名

一、RSA简介

RSA是1977年由罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。

RSA属于非对称加密，与对称加密算法不同，RSA是由一对密钥来进行加解密的过程，分别称为公钥和私钥。

具体的加密原理，就不进行介绍了，本文主要从使用角度，进行说明。

以下命令行和编程实现，均基于OpenSSL开源库。在命令行中，我们可以使用命令实现对文件加解密，以验证我们的编程实现，是否正确。

二、命令行操作

接下来，通过命令行方式来演示，如何使用RSA算法进行加解密，以及数字签名。

1、生成秘钥对

生成私钥文件private.pem：

openssl genrsa -out private.pem

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这里-out指定生成文件的。需要注意的是这个文件包含了公钥和密钥两部分，也就是说这个文件即可用来加密也可以用来解密。后面的1024是生成密钥的长度。

根据私钥private.pem提取出公钥public.pem：

openssl rsa -in private.pem -out public.pem -pubout

  • 1

-in指定输入文件，-out指定提取生成公钥的文件名。至此，我们手上就有了一个公钥，一个私钥（包含公钥）。现在可以将用公钥来加密文件了。

2、加解密文件

大家都知道公钥加密，私钥解密。

我们在目录中创建一个hello的文本文件，然后利用此前生成的公钥加密文件。

加密：

openssl rsautl -encrypt -in hello.txt -inkey public.pem -pubin -out hello.en

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-in指定要加密的文件，-inkey指定密钥，-pubin表明是用纯公钥文件加密，-out为加密后的文件。

解密：

openssl rsautl -decrypt -in hello.en -inkey private.pem -out hello.de

  • 1

-in指定被加密的文件，-inkey指定私钥文件，-out为解密后的文件。

至此，一次加密解密的过程告终。

参考:http://iyenn.com/index/link?url=https://www.cnblogs.com/aLittleBitCool/archive/2011/09/22/2185418.html

3、数字签名

数字签名分为摘要和加密两部分，但是在openssl提供的指令中，并没有区分两者。需要注意的是，签名是指对明文的摘要进行加密，得到的密文就称为签名，而非对明文数据进行加密。

大家都知道私钥签名，公钥验签。

签名：

使用dgst指令指定sha1算法，对hello.txt进行签名，生成签名文件sign.txt

openssl dgst -sha1 -sign private.pem -out sign.txt hello.txt

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验签：

先根据私钥private.pem提取出公钥public.pem

openssl rsa -in private.pem -out public.pem -pubout

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使用RSA公钥验证签名(verify参数)

openssl dgst -verify public.pem -sha1 -signature sign.txt hello.txt

  • 1

验证成功，如下：

在这里插入图片描述

另外，大家都知道可以从私钥文件中提取公钥文件，所以验签时，也可以直接用私钥文件来验签。如下，使用RSA私钥验证签名(prverify参数)，验证成功。

openssl dgst -prverify private.pem -sha1 -signature sign.txt hello.txt

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疑问：为什么可以从私钥导出公钥，而不能从公钥导出私钥？

从公钥导出私钥，实际上等同于RSA被破解，理论上，RSA可以被破解，但是随着key越长，其破解难度越大。

目前被破解的最长RSA密钥就是768位，因此就常见的RSA 1024位及以上，基本上是不能被破解的。也就是说公钥导出私钥是不成立的。

所以，OpenSSL中可以由私钥导出公钥，猜测应该是私钥的容器往往同时包含私钥与公钥(公钥是让所有人都会知道，那么拥有私钥的人没有道理不留存一份公钥)，而公钥的容器仅包含公钥。

参考：http://iyenn.com/index/link?url=https://www.cnblogs.com/yanhuang/p/9646578.html

三、编程实现

接下来，通过编程方式来演示，如何使用RSA算法进行加解密，以及数字签名。

这里重点讲一下，RSA加密/解密函数的使用注意点，其他的生成密钥/签名之类的，无非是看看函数帮助就ok。

1、函数说明

（1）加密函数RSA_public_encrypt

int RSA_public_encrypt(int flen, const unsigned char *from,
                       unsigned char *to, RSA *rsa, int padding);

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参数名称含义
flen明文数据长度字节数，若padding参数使用RSA_PKCS1_PADDING方式，则该值最大为所使用密钥的位数 / 8 - 11
from明文数据
to存放生成的密文数据，该空间大小应该为秘钥位数 / 8，保证可以存放的下
rsa公钥
padding填充方式

RSA_public_encrypt一次性只能加密(密钥的位数 / 8 = N)字节的数据，且加密前后数据长度相等。

比如对于1024bit的密钥，可一次性加密128字节，由于采用RSA_PKCS1_PADDING填充，填充需要占用11字节，故真正的明文数据，最多只占128-11=117字节。当实际明文数据过长时，应采用分段加密，并将加密结果拼到一起即可。详细参考：《RSA密钥长度、明文长度和密文长度》。

（2）解密函数RSA_private_decrypt

int RSA_private_decrypt(int flen, const unsigned char *from,
                        unsigned char *to, RSA *rsa, int padding);

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参数名称含义
flen密文数据长度，一般固定为秘钥位数 / 8
from密文数据
to存放解密后的明文数据，该空间大小应该为秘钥位数 / 8，保证可以存放的下
rsa私钥
padding填充方式

与RSA_public_encrypt类似，RSA_private_decrypt也是一次性只能解密(密钥的位数 / 8 = N)字节的数据，且解密前后数据长度相等。

返回值：以RSA 1024为例，表示将一段128字节的密文，进行解密，并解除填充，得到的实际明文数据，该数据的长度，作为函数返回值。该返回值，可以用于从to参数指向的内存中，提取实际长度的明文数据。

2、编程实现

（1）生成密钥对

封装了2个函数，一个生成秘钥对文件，一个生成秘钥对的内存数据。

/**
 * @brief RSAC::generateKeyPair
 * 生成密钥对，并分别保存为文件
 * @param priKeyFile 私钥文件名
 * @param pubKeyFile 公钥文件名
 * @param bits 秘钥长度，一般建议1024及以上
 */
void RSAC::generateKeyPair(const QString &priKeyFile, const QString &pubKeyFile, int bits)
{
    // 生成公钥
    RSA* rsa = RSA_generate_key(bits, RSA_F4, nullptr, nullptr);
    BIO *bp = BIO_new(BIO_s_file());
    BIO_write_filename(bp, (void*)pubKeyFile.toStdString().c_str());
    PEM_write_bio_RSAPublicKey(bp, rsa);
    BIO_free_all(bp);

    // 生成私钥
    bp = BIO_new(BIO_s_file());
    BIO_write_filename(bp, (void*)priKeyFile.toStdString().c_str());
    PEM_write_bio_RSAPrivateKey(bp, rsa, nullptr, nullptr, 0, nullptr, nullptr);
    CRYPTO_cleanup_all_ex_data();
    BIO_free_all(bp);
    RSA_free(rsa);
}

/**
 * @brief RSAC::generateKeyPair
 * 生成密钥对数据
 * @param privateKey 私钥数据
 * @param publicKey 公钥数据
 * @param bits 秘钥长度，一般建议1024及以上
 */
void RSAC::generateKeyPair(QByteArray &privateKey, QByteArray &pubKey, int bits)
{
    // 生成密钥对
    RSA *keyPair = RSA_generate_key(bits, RSA_F4, nullptr, nullptr);

    BIO *pri = BIO_new(BIO_s_mem());
    BIO *pub = BIO_new(BIO_s_mem());

    PEM_write_bio_RSAPrivateKey(pri, keyPair, nullptr, nullptr, 0, nullptr, nullptr);
    PEM_write_bio_RSA_PUBKEY(pub, keyPair);

    // 获取长度
    int pri_len = BIO_pending(pri);
    int pub_len = BIO_pending(pub);

    privateKey.resize(pri_len);
    pubKey.resize(pub_len);

    BIO_read(pri, privateKey.data(), pri_len);
    BIO_read(pub, pubKey.data(), pub_len);

    // 内存释放
    RSA_free(keyPair);
    BIO_free_all(pub);
    BIO_free_all(pri);
}

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（2）数据加解密

包含一对加密、解密函数。该函数可执行对任意长度明文加密，并进行解密。

/**
 * @brief RSAC::encrypt
 * RSA加密函数，使用公钥对输入数据，进行加密
 * @param in 输入数据（明文）
 * @param out 输出数据（密文）
 * @param pubKey 公钥
 * @return 执行结果
 */
bool RSAC::encrypt(const QByteArray &in, QByteArray &out, const QByteArray& pubKey)
{
    // 公钥数据转RSA
    RSA* rsa = publicKeyToRSA(pubKey);
    if (rsa == nullptr)
    {
        return false;
    }

    // 对任意长度数据进行加密，超长时，进行分段加密
    int keySize = RSA_size(rsa);
    int dataLen = in.size();
    const unsigned char *from = (const unsigned char *)in.data();
    QByteArray to(keySize, 0);
    int readLen = 0;
    do
    {
        int select = (keySize - 11) > dataLen ? dataLen : (keySize - 11);
        RSA_public_encrypt(select, (from + readLen), (unsigned char *)to.data(), rsa, RSA_PKCS1_PADDING);
        dataLen -= select;
        readLen += select;
        out.append(to);
    }while (dataLen > 0);
    RSA_free(rsa);
    return true;
}

/**
 * @brief RSAC::private_decrypt
 * RSA解密函数，使用私钥对输入数据，进行解密
 * @param in 输入数据（密文）
 * @param out 输出数据（解密后的内容）
 * @param priKey 私钥
 * @return 执行结果
 */
bool RSAC::decrypt(const QByteArray &in, QByteArray &out, const QByteArray& priKey)
{
    // 私钥数据转RSA
    RSA* rsa = privateKeyToRSA(priKey);
    if (rsa == nullptr)
    {
        return false;
    }

    // 对任意长度数据进行解密，超长时，进行分段解密
    int keySize = RSA_size(rsa);
    int dataLen = in.size();
    const unsigned char *from = (const unsigned char *)in.data();
    QByteArray to(keySize, 0);
    int readLen = 0;
    do
    {
        int size = RSA_private_decrypt(keySize, (from + readLen), (unsigned char *)to.data(), rsa, RSA_PKCS1_PADDING);
        dataLen -= keySize;
        readLen += keySize;
        out.append(to.data(), size);
    }while (dataLen > 0);
    RSA_free(rsa);
    return true;
}

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（3）数字签名与验签

包含一对签名、验签函数。

/**
 * @brief RSAC::sign
 * 使用私钥对摘要数据进行签名
 * @param digest 摘要数据
 * @param sign 签名后的数据
 * @param priKey 私钥
 * @return 执行结果
 */
bool RSAC::sign(const QByteArray &digest, QByteArray &sign, const QByteArray& priKey)
{
    // 私钥数据转RSA
    RSA* rsa = privateKeyToRSA(priKey);
    if (rsa == nullptr)
    {
        return false;
    }

    // 对digest进行签名
    unsigned int siglen = 0;
    QByteArray temp(RSA_size(rsa), 0);
    RSA_sign(NID_sha1, (const unsigned char*)digest.data(), digest.size(),
             (unsigned char*)temp.data(), &siglen, rsa);
    sign.clear();
    sign.append(temp.data(), siglen);
    RSA_free(rsa);
    return true;
}

/**
 * @brief RSAC::verify
 * 使用公钥对摘要数据进行验签
 * @param digest 摘要数据
 * @param sign 签名后的数据
 * @param pubKey 公钥
 * @return 执行结果
 */
bool RSAC::verify(const QByteArray &digest, const QByteArray &sign, const QByteArray& pubKey)
{
    // 公钥数据转RSA
    RSA* rsa = publicKeyToRSA(pubKey);
    if (rsa == nullptr)
    {
        return false;
    }

    // 对digest、sign进行验签
    int ret = RSA_verify(NID_sha1, (const unsigned char*)digest.data(), digest.size(),
               (const unsigned char *)sign.data(), sign.size(), rsa);
    RSA_free(rsa);
    return (ret == 1);
}

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（4）测试代码

void createTestData(QByteArray& data, int size)
{
    data.resize(size);
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
        data[i] = i % 128;
    }
}

void testRSA(const QByteArray& data)
{
    // RSA密钥对生成验证
    RSAC rsac;
    rsac.generateKeyPair("./prikey.pem", "./pubkey.pem", 1024);

    // RSA加解密验证
    QByteArray priKey, pubKey;
    QByteArray plainText = data;
    QByteArray encryptText;
    QByteArray decryptText;
    rsac.generateKeyPair(priKey, pubKey, 1024);
    rsac.encrypt(plainText, encryptText, pubKey);       // 加密
    rsac.decrypt(encryptText, decryptText, priKey);     // 解密
    qDebug() << "RSA encrypt verify" << ((decryptText == plainText) ? "succeeded" : "failed");
    encryptText.clear();
    decryptText.clear();

    // RSA签名、验签
    HASH hash(HASH::SHA256); // 生成文件SHA256摘要
    hash.addData("life's a struggle");
    QByteArray digest = hash.result();

    QByteArray sign;
    rsac.sign(digest, sign, priKey);                // 签名
    bool ret = rsac.verify(digest, sign, pubKey);   // 验签
    qDebug() << "RSA sign verify" << (ret ? "succeeded" : "failed");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    // 产生1MB+3B的测试数据，为了使该测试数据长度，不为8或16的整数倍
    QByteArray data;
    createTestData(data, 1*1024*1024+3);

    // 测试RSA
    testRSA(data);

    return a.exec();
}

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执行结果：

在这里插入图片描述

对生成的（1x1024x1024+3）字节的测试数据，进行了加解密验证，SHA256摘要签名验签，均测试成功。

本文涉及工程代码地址：http://iyenn.com/index/link?url=https://gitee.com/bailiyang/cdemo/tree/master/Qt/49OpenSSL/OpenSSL


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