RSA数学原理

生成公私钥过程

  • 随机选择两个大的质数pq
  • 由质数pq相乘得到nn = p * q
  • 由欧拉函数求出φ(n)r = \varphi(n) = \varphi(p) * \varphi(q) = (p-1)* (q-1)
  • 随机选择与r互质的数e,通常选择65537
  • 最后求出e关于模数r的模反元素de*d\ _{mod} \ r \equiv 1 \Rightarrow e * d = k * r + 1(k=...-2,-1,0,1,2...)

此时得到的{n,e}为公钥,{n,d}为私钥。

数学知识

互质关系
  • 定义

    如果两个正整数,除了1以外,没有其他公因子,那么这两个数就是互质关系。

欧拉函数
  • 定义

    任意给定正整数n, 在小于等于n的正整数之中,有多少个与n构成互质关系(比如,在1到8之中,有多少个数与8构成互质关系)?计算这个值的方法就叫做欧拉函数,以φ(n)表示。

  • 公式

    • 如果n = 1φ(1) = 1
    • 如果n为质数,φ(n) = n - 1
    • 如果nak次幂,\varphi \left ( n \right ) = \varphi \left ( {a^k} \right ) = a^k - a^{k-1} = (a-1)\cdot {a^{k-1}}
    • 如果mn互质,则φ(mn) = φ(m) * φ(n)
欧拉定理
  • 定义

    若两个正整数nm互质,则:
    m^{\varphi \left ( n \right )} \ _{mod} \ {n} \equiv 1
    mφ(n)次方 整除n的余数是1,其中φ(n)表示在小于n的正整数中与n互质的个数。

费马小定理
  • 定义

    m是不能被质数p整除的数,则:
    m^{p-1} \ _{mod} \ {p} \equiv 1
    其实就是欧拉定理的特殊情况,由于 p 是质数,所以 φ(p) = p-1

模反元素
  • 定义

    如果两个正整数er互质,那么一定可以找到整数d,使得e * d - 1r整除,那么d就是e对于模数r的模反元素。
    e * d \ _{mod} \ r \equiv 1

推导

  • 由于 1^k \equiv 1,所以 m^{\varphi(n) } \ _{mod} \ n \equiv 1 \Rightarrow m^{\varphi(n) * k } \ _{mod} \ n \equiv 1

  • 由于 1 * m \equiv m,所以 m^{\varphi(n) * k } \ _{mod} \ n \equiv 1 \Rightarrow m^{\varphi(n) * k + 1 } \ _{mod} \ n \equiv m

  • 由模反元素的定义知道 e * d \ _{mod} \ r\equiv 1 \ \Rightarrow e * d \equiv r * k + 1

比较公式
m^{\varphi(n) * k + 1 } \ _{mod} \ n \equiv m \tag{1}

e * d \equiv r * k + 1 \tag{2}
式1中的\varphi(n)式2中的\ r \相等时,式1就变形成:
m^{e * d} \ _{mod} \ n \equiv m \tag{3}
将上面的式3进行拆分得到加解密的流程:
\begin{align*} m^{e} \ _{mod} \ n \equiv c \tag{encrypt} \\ c^d \ _{mod} \ n \equiv m \tag{decrypt} \end{align*}
其中m为要加密的数据,{n,e}为公钥,{n,d}为私钥,c为加密后的数据。

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