RSA算法的基本原理及实现

1、准备步骤：

1）取 8-bit 的两个素数（质数）p、q

2）n = p * q，计算 n 的欧拉函数 m（表示在小于等于 n 的正整数之中，与 n 构成互质关系的数的个数），当 p 和 q 均为质数时，m = (p - 1) * (q - 1)

3）随机选取一个整数 e，满足条件 1 < e < m 且 e 与 m 互质（但不能选择 m - 1，否则公钥和私钥将相同）

4）找出一个整数 d，使得 e * d mod m = 1，即找出 e 模 m 的逆元（扩展欧几里得算法求逆元，之前的一篇随笔有说明）

5）公钥为（n, e），私钥为（n, d）

2、加密过程

对明文的 e 次方后除以 n 求余数，即求：(mingwen)^e mod n

3、解密过程

对密文进行 d 次方后除以 n 求余数，即求：(miwen)^d mod n

4、加密及解密实现（对学号+姓名加密）：

import java.util.ArrayList;

public class Main {
    static ArrayList<Integer> suArr = new ArrayList<>();
    static int[] xy = new int[2];

    public static void main(String[] args) {
        // 由于题目要求取8-bit的两个素数 p,q 因此素数集合的最大值不超过255
        int max = 255, p = 0, q = 0, n, m, e = -1, index = 0;
        char[] myInfo = "1700802067GJQ".toCharArray();
        int[] miwen = new int[myInfo.length];
        char[] mingwen = new char[myInfo.length];
        suArr.add(2);

        for (int i = 3; i <= max; i++) {
            if (isSuShu(i))
                suArr.add(i);
        }

        // 保证取到的两个素数不相等
        while (p == q) {
            p = getRanNum(suArr.size());
            q = getRanNum(suArr.size());
        }

        n = p * q;
        m = (p - 1) * (q - 1);

        // 求得公钥为(n, e)
        for (int i = 2; i < m; i++) {
            if (isHuZhi(m, i) == 1) {
                e = i;
                break;
            }
        }

        if (e != -1) {
            exGcd(e, m);
            /*
            根据要求(e*d)%m=1求得的d(即xy[0])可能为负数，因此当其为负数时要将其转化为正数，转换的原理为：
            a%b=(a%b+b)%b
            当a为负数且b为正数时可使用上述公式将a转换为正数
            */
            if (xy[0] < 0) xy[0] = (xy[0] % m + m) % m;
            System.out.println("p为" + String.valueOf(p) + "，q为" + String.valueOf(q));
            System.out.println("公钥为(" + String.valueOf(n) + ", " + String.valueOf(e) + ")，私钥为(" + String.valueOf(n) + ", " + String.valueOf(xy[0]) + ")");

            // 公钥进行加密(mingwen)^e mod n
            for (char c : myInfo) {
                miwen[index++] = myPow((int) c, e, n);
            }
            System.out.print("加密后的密文：");
            for (int c : miwen) {
                System.out.print(c + " ");
            }
            System.out.println();

            index = 0;
            // 私钥进行解密(miwen)^d mod n
            for (int i : miwen) {
                mingwen[index] = (char) myPow(miwen[index], xy[0], n);
                index++;
            }

            System.out.print("解密后的明文：");
            for (char c : mingwen) {
                System.out.print(c);
            }

        }

    }

    // 判断一个数是否为素数
    public static boolean isSuShu(int num) {
        int max = (int) Math.sqrt(num);
        for (int i = 2; i <= max; i++) {
            if (num % i == 0)
                return false;
        }
        return true;
    }

    // 在素数数组中随机取一个数
    public static int getRanNum(int size) {
        return suArr.get((int) (Math.random() * (size)));
    }

    // 判断两个数是否互质
    public static int isHuZhi(int a, int b) {
        return b == 0 ? a : isHuZhi(b, a % b);
    }

    // 扩展欧几里得算法求得私钥(n, xy[0])即(n, d)
    public static void exGcd(int a, int b) {
        if (b == 0) {
            xy[0] = 1;
            xy[1] = 0;
        } else {
            exGcd(b, a % b);
            int x = xy[0];
            xy[0] = xy[1];
            xy[1] = x - (a / b) * xy[1];
        }
    }

    public static int myPow(int a, int b, int m) {
        int res = 1;
        a %= m;
        while (b != 0) {
            if ((b & 1) == 1)
                res = (res * a) % m;
            a = (a * a) % m;
            b >>= 1;
        }
        return res;
    }
}

/*
 * 参考： https://www.jianshu.com/p/fbb8bf7baa97
 * https://www.cnblogs.com/shuaihui520/p/8954788.html
 * https://www.cnblogs.com/linkzijun/p/6151486.html
 */