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20181117--RSA演算法數學原理分析

非對稱加密技術,在現在網路中,有非常廣泛應用。加密技術更是數字貨幣的基礎。
所謂非對稱,就是指該演算法需要一對金鑰,使用其中一個(公鑰)加密,則需要用另一個(私鑰)才能解密。

RSA演算法原理
RSA演算法的基於這樣的數學事實:兩個大質數相乘得到的大數難以被因式分解。
如:有很大質數p跟q,很容易算出N,使得 N = p * q,
但給出N, 比較難找p q(沒有很好的方式, 只有不停的嘗試)

這其實也是單向函式的概念

下面來看看數學演算過程:

選取兩個大質數p,q,計算N = p q 及 φ ( N ) = φ § φ (q) = (p-1) * (q-1)

三個數學概念:
質數(prime numbe):又稱素數,為在大於1的自然數中,除了1和它本身以外不再有其他因數。
互質關係:如果兩個正整數,除了1以外,沒有其他公因子,我們就稱這兩個數是互質關係(coprime)。
φ(N):叫做尤拉函式,是指任意給定正整數N,在小於等於N的正整數之中,有多少個與N構成互質關係。

如果n是質數,則 φ(n)=n-1。
如果n可以分解成兩個互質的整數之積, φ(n) = φ(p1p2) = φ(p1)φ(p2)。即積的尤拉函式等於各個因子的尤拉函式之積。

選擇一個大於1 小於φ(N)的數e,使得 e 和 φ(N)互質

e其實是1和φ(N)之前的一個質數

計算d,使得de=1 mod φ(N) 等價於方程式 ed-1 = k φ(N) 求一組解。

d 稱為e的模反元素,e 和 φ(N)互質就肯定存在d。

模反元素是指如果兩個正整數a和n互質,那麼一定可以找到整數b,使得ab被n除的餘數是1,則b稱為a的模反元素。
可根據尤拉定理證明模反元素存在,尤拉定理是指若n,a互質,則:
a^φ(n) ≡ 1(mod n) 及 a^φ(n) = a * a^(φ(n) - 1), 可得a的 φ(n)-1 次方,就是a的模反元素。

(N, e)封裝成公鑰,(N, d)封裝成私鑰。
假設m為明文,加密就是算出密文c:
m^e mod N = c (明文m用公鑰e加密並和隨機數N取餘得到密文c)
解密則是:
c^d mod N = m (密文c用金鑰解密並和隨機數N取餘得到明文m)

私鑰解密這個是可以證明的,這裡不展開了。