非对称加密、解密原理及openssl中的RSA示例代码

一、【原理简介】非对称加密

非对称加密，也被称为公钥加密，其中使用一对相关的密钥：一个公钥和一个私钥。公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。公钥可以公开分享，而私钥必须保密。

1. 密钥生成:

   • 当一个用户或设备希望使用非对称加密时，要生成一对密钥：一个公钥和一个私钥。这两个密钥是数学上相关的，但从公钥中计算出私钥在计算上是不可行的。

2. 加密过程:

   • 发送方使用接收方的公钥对消息进行加密。只有持有与那个公钥相对应的私钥的人（在这种情况下是接收方）才能解密这个消息。

3. 解密过程:

   • 接收方使用其私钥对接收到的加密消息进行解密，以恢复原始消息。

4. 安全性:

   • 即使攻击者知道公钥并且他们拦截了加密的消息，但由于他们没有私钥，所以他们不能解密那个消息。这提供了保密性。
   • 由于私钥不是公开的，因此无法用它来伪造加密的消息。

5. 数字签名:

   • 除了保密性外，非对称加密还可以用于数字签名。发送方使用其私钥对消息的哈希进行加密，产生一个数字签名。
   • 接收方可以使用发送方的公钥来验证签名，确保消息是从发送方发出的，并且没有被修改。

6. 主要算法:

   • RSA、ElGamal、ECC（椭圆曲线加密）是非对称加密的主要算法。

7. 性能问题:

   • 与对称加密相比，非对称加密通常计算上更加昂贵，所以它在处理大量数据时可能不太实用。在实际场景中，经常使用非对称加密来交换一个对称密钥（如AES密钥），然后使用对称加密来加密实际的数据。

8. 公钥基础设施（PKI）:

   • PKI是一个结合硬件、软件、策略和标准，以实现公钥加密和数字签名服务的体系结构。它包括证书颁发机构（CA），负责颁发和验证数字证书。

总结：非对称加密使用一对密钥来确保数据的安全性和完整性。公钥用于加密，而私钥用于解密或签名。

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二、【代码】生成秘钥对文件 和 读取秘钥对加密、加密

• example 1 生成秘钥对

#include <stdio.h>
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/rsa.h>/* compile : gcc createRSA_KeyPair.c -I./include -L./lib -lcrypto -Wl,-rpath=./lib  */
int main() {int ret = 0;RSA *r = NULL;BIGNUM *bne = NULL;int bits = 2048;unsigned long e = RSA_F4;// 1. 生成 RSA 密钥对bne = BN_new();ret = BN_set_word(bne, e);if(ret != 1) {goto free_all;}r = RSA_new();ret = RSA_generate_key_ex(r, bits, bne, NULL);if(ret != 1) {goto free_all;}// 2. 保存私钥到 PEM 文件FILE *fp = fopen("private_key.pem", "wb");if(fp == NULL) {perror("Unable to open private key file for writing");goto free_all;}PEM_write_RSAPrivateKey(fp, r, NULL, NULL, 0, NULL, NULL);fclose(fp);// 3. 保存公钥到 PEM 文件fp = fopen("public_key.pem", "wb");if(fp == NULL) {perror("Unable to open public key file for writing");goto free_all;}PEM_write_RSA_PUBKEY(fp, r);fclose(fp);free_all:RSA_free(r);BN_free(bne);return 0;
}

• example 2 使用秘钥对加密、解密

#include <stdio.h>
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/rsa.h>/* compile : gcc keyFromFile.c -I./include -L./lib -lcrypto -Wl,-rpath=./lib  */
int main() {// 加载公钥FILE* pubKeyFile = fopen("public_key.pem", "rb");RSA* rsaPublicKey = PEM_read_RSA_PUBKEY(pubKeyFile, NULL, NULL, NULL);fclose(pubKeyFile);// 加载私钥FILE* privKeyFile = fopen("private_key.pem", "rb");RSA* rsaPrivateKey = PEM_read_RSAPrivateKey(privKeyFile, NULL, NULL, NULL);fclose(privKeyFile);const char* plainText = "Hello, OpenSSL!";char encrypted[4098] = {};char decrypted[4098] = {};// 使用公钥加密int encryptedLength = RSA_public_encrypt(strlen(plainText), (unsigned char*)plainText,(unsigned char*)encrypted, rsaPublicKey, RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);if (encryptedLength == -1) {printf("Public Encrypt failed \n");return 0;}// 使用私钥解密int decryptedLength = RSA_private_decrypt(encryptedLength, (unsigned char*)encrypted,(unsigned char*)decrypted, rsaPrivateKey, RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);if (decryptedLength == -1) {printf("Private Decrypt failed \n");return 0;}decrypted[decryptedLength] = '\0';printf("Original: %s\n", plainText);printf("Decrypted: %s\n", decrypted);RSA_free(rsaPublicKey);RSA_free(rsaPrivateKey);return 0;
}

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三、【代码】代码内生成秘钥对并加密解密

• c风格

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/rsa.h>/* compile : gcc RSA.c -I./include -L./lib -lcrypto -Wl,-rpath=./lib */
int main() {// 1. create keyint ret = 0;RSA *rsa = NULL;BIGNUM *bne = NULL;int bits = 2048;unsigned long e = RSA_F4;bne = BN_new();ret = BN_set_word(bne, e);if(ret != 1) {goto free_all;}rsa = RSA_new();ret = RSA_generate_key_ex(rsa, bits, bne, NULL);if(ret != 1) {goto free_all;}// 2. encryptoconst char* plainText = "Hello, OpenSSL!";char encrypted[4098] = {};int encryptedLength = RSA_public_encrypt(strlen(plainText) + 1, (unsigned char*)plainText,(unsigned char*)encrypted, rsa, RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);if(encryptedLength == -1) {printf("Public Encrypt failed \n");goto free_all;}// 3. decryptochar decrypted[4098] = {};int decryptedLength = RSA_private_decrypt(encryptedLength, (unsigned char*)encrypted,(unsigned char*)decrypted, rsa, RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);if(decryptedLength == -1) {printf("Private Decrypt failed \n");goto free_all;}decrypted[decryptedLength] = '\0';printf("Original: %s\n", plainText);printf("Decrypted: %s\n", decrypted);free_all:RSA_free(rsa);BN_free(bne);return 0;
}

• C++风格

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdexcept>extern "C"{
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/rsa.h>
}class RSAWrapper {
public:RSAWrapper() {rsa = RSA_new();bne = BN_new();BN_set_word(bne, RSA_F4);RSA_generate_key_ex(rsa, 2048, bne, nullptr);}~RSAWrapper() {RSA_free(rsa);BN_free(bne);}std::vector<unsigned char> encrypt(const std::string &plainText) {std::vector<unsigned char> encrypted(RSA_size(rsa));int encryptLength = RSA_public_encrypt(plainText.size(),reinterpret_cast<const unsigned char*>(plainText.c_str()),encrypted.data(),rsa,RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);if (encryptLength == -1) {throw std::runtime_error("Error during encryption");}return encrypted;}std::string decrypt(const std::vector<unsigned char> &cipherText) {std::vector<unsigned char> decrypted(RSA_size(rsa));int decryptLength = RSA_private_decrypt(cipherText.size(),cipherText.data(),decrypted.data(),rsa,RSA_PKCS1_OAEP_PADDING);if (decryptLength == -1) {throw std::runtime_error("Error during decryption");}return std::string(reinterpret_cast<char*>(decrypted.data()));}private:RSA *rsa;BIGNUM *bne;
};/* compile : g++ -std=c++11  RSA.cpp -I./include -L./lib -lcrypto -Wl,-rpath=./lib */
int main() {try {RSAWrapper rsaWrapper;std::string plainText = "Hello, OpenSSL C++!";auto encrypted = rsaWrapper.encrypt(plainText);auto decrypted = rsaWrapper.decrypt(encrypted);std::cout << "Original Text: " << plainText << std::endl;std::cout << "Decrypted Text: " << decrypted << std::endl;} catch (const std::exception &e) {std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}