OpenSSL - RSA非对称加密实现

非对称加密：即两端使用一对不同的密钥进行加密。

在非对称加密中，需要两对密钥，公钥和私钥。

公钥个私钥属于对立关系，一把加密后，只有另一把才可以进行解密。

• 公钥数据加密

数字证书内包含了公钥，在进行会话连接时，双方交换各自的公钥，保留自己的私钥。进行数据传输时，利用对方的公钥进行数据加密。加密后的数据只有对方的私钥才能进行解密。

• 私钥数字签名

私钥进行数据加密，所有人用公钥都能解密数据，但是加密后的数据却唯有私钥能生成。可以用于消息来源验证。将数据用私钥加密并明文告诉用户密文内容，用户进行公钥解密比较确认数据来源可靠。

在非对称加密算法中有RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）等。

其中RSA加密最为广泛利用，毫不夸张地说，只要有计算机网络的地方，就有RSA算法。

其原理为数论中一个公认的定论：两个大素数相乘非常容易，但是这个数要分解成二个质数的积，非常困难。

根据已经披露的文献，目前被破解的最长RSA密钥是768个二进制位。也就是说，长度超过768位的密钥，还无法破解（至少没人公开宣布）。因此可以认为，1024位的RSA密钥基本安全，2048位的密钥极其安全。

具体RSA加密算法在计算机网络中的运用方式和原理可以查看：OpenSSL - 网络安全之数据加密和数字证书

如何利用openssl命令行来生成证书和密钥可查看：OpenSSL - 利用OpenSSL自签证书和CA颁发证书

在使用OpenSSL进行RSA加密算法时，流程与上述理论流程保持一致。

• 生成密钥或读取密钥
• 根据需要选择签名还是加密
• 使用公钥进行数据加密
• 使用私钥进行数字签名
• 数据通过网络进行安全传输
• 对端进行解密获取明文

下面是OpenSSL的RSA加密算法对数据进行加密解密过程实现：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <openssl/bn.h>
#include <openssl/rsa.h>
#include <openssl/pem.h>

#define DATA_BUFF_LENTH 1024
#define RSA_BIT 1024

using namespace std;

class File
{
public:
    File(string strFilePath):m_strFilePath(strFilePath){};
    ~File(){};
    bool open(_Ios_Openmode opreator);
    void close();
    void read(char* buff,int length);
private:
    fstream m_file;
    string m_strFilePath;
};

bool File::open(_Ios_Openmode opreator)
{
    m_file.open(m_strFilePath.c_str(),opreator);
    if (m_file.fail())   //打开失败
    {
        cout<<"open file failure!"<<endl;
        return false;    
    } 
    return true;
}

void File::close()
{
    m_file.close();
}

void File::read(char* buff,int length)
{
    m_file.read(buff,length);
}

class RSAKey
{
public:
    RSAKey(int rsabit,int bignum);
    ~RSAKey();
    void UsePrivateRSAKeyDecode(char* dsc,char* src);   //加密解密操作
    void UsePublicRSAKeyEncode(char* dsc,char* src);
    void printPublicKey();  //打印秘钥操作
    void printPrivateKey();
    void exportPrivateKey(string fileName); //导出秘钥操作
    void exportPublicKey(string fileName);
    /*
    We can also output the key into an encrypted PEM file.

    And the APIs is easy to use.

    PEM_write_bio_RSAPrivateKey

    PEM_write_bio_RSAPublicKey

    PEM_read_bio_RSAPrivateKey

    PEM_read_bio_RSAPublicKey
    */
    void importPrivateKey(string fileName); //导入秘钥操作，也可利用上述API通过证书导入秘钥，证书命令行生成和颁发签证
    void importPublicKey(string fileName);
private:
    BIGNUM* m_bigNum;
    RSA* m_rsa;
    int m_rsa_bit;
    RSA* m_pubKey;
    RSA* m_privateKey;
};

RSAKey::RSAKey(int rsabit,int bignum)
{
    m_rsa_bit = rsabit;
    m_rsa = RSA_new();
    m_pubKey = RSA_new();
    m_privateKey = RSA_new();
    m_bigNum = BN_new();
    BN_set_word(m_bigNum,bignum);   //设置大数
    RSA_generate_key_ex(m_rsa,m_rsa_bit,m_bigNum,NULL); //生成密钥
}

RSAKey::~RSAKey()
{
    RSA_free(m_rsa);
    RSA_free(m_pubKey);
    RSA_free(m_privateKey);
    BN_free(m_bigNum);    
}

void RSAKey::UsePrivateRSAKeyDecode(char* dsc,char* src)
{
    int rsa_len = RSA_size(m_privateKey);
    RSA_private_decrypt(rsa_len,(unsigned char *)src,(unsigned char*)dsc,m_privateKey,RSA_NO_PADDING);
}

void RSAKey::UsePublicRSAKeyEncode(char* dsc,char* src)
{
    int rsa_len = RSA_size(m_pubKey);
    RSA_public_encrypt(rsa_len, (unsigned char *)src,(unsigned char*)dsc,m_pubKey, RSA_NO_PADDING);
}

void RSAKey::printPublicKey()
{
    RSA_print_fp(stdout,m_pubKey,11);
}

void RSAKey::printPrivateKey()
{
    RSA_print_fp(stdout,m_privateKey,11);
}

void RSAKey::exportPrivateKey(string fileName)
{
    FILE *ifile;
    ifile = fopen(fileName.c_str(),"w");
    PEM_write_RSAPrivateKey(ifile,m_rsa, NULL, NULL, 0, NULL, NULL);
    fclose(ifile);
}

void RSAKey::exportPublicKey(string fileName)
{
    FILE *ifile;
    ifile = fopen(fileName.c_str(),"w");
    PEM_write_RSAPublicKey(ifile,m_rsa);
    fclose(ifile);
}

void RSAKey::importPrivateKey(string fileName)
{
    FILE *ifile;
    ifile = fopen(fileName.c_str(),"r");
    m_privateKey = PEM_read_RSAPrivateKey(ifile, NULL, NULL, NULL);
}

void RSAKey::importPublicKey(string fileName)
{
    FILE *ifile;
    ifile = fopen(fileName.c_str(),"r");
    m_pubKey = PEM_read_RSAPublicKey(ifile,NULL,NULL,NULL);
}

int main(int arc,char *arv[])
{
    RSAKey rsa(RSA_BIT,RSA_F4);
    rsa.exportPrivateKey("private.key");    // 导出密钥
    rsa.exportPublicKey("public.key");

    string strFilePath = arv[1];
    File ifile(strFilePath.c_str());
    ifile.open(ios::in);

    char DataBuff[DATA_BUFF_LENTH];
    ifile.read(DataBuff,DATA_BUFF_LENTH);   //读文件内容
    ifile.close();

    rsa.importPublicKey("public.key");  //导入公钥
    rsa.importPrivateKey("private.key");    //导入秘钥
    
    rsa.printPrivateKey();  //打印秘钥信息
    rsa.printPublicKey();   //打印公钥信息

    cout<<"-----------------------------------"<<endl;
    cout<<"source :"<<DataBuff<<endl;   //源数据
    cout<<"-----------------------------------"<<endl;
    
    char enData[DATA_BUFF_LENTH];
    rsa.UsePublicRSAKeyEncode(enData,DataBuff);
    cout<<"-----------------------------------"<<endl;
    cout<<"encode :"<<enData<<endl;     //加密数据
    cout<<"-----------------------------------"<<endl;
    
    char deData[DATA_BUFF_LENTH];
    rsa.UsePrivateRSAKeyDecode(deData,enData);
    cout<<"-----------------------------------"<<endl;
    cout<<"decode :"<<deData<<endl;     //解密数据
    cout<<"-----------------------------------"<<endl;

    return 0;
}

scons编译脚本如下：

Program('pubkey','rsa_genkey.cpp',LIBS = ['ssl','crypto'])

执行可执行文件，输入文件路径，即可查看到经过RSA加密后的数据内容和解密后的内容。

从证书中提取公钥加密与上述代码类似，替换相应API即可。

tips：本来把这篇OpenSSL的RSA加密算法和代码写好点的，但是由于最近时间越来越紧张。后续有机会在扩充吧。代码部分很多地方没有做异常判段和处理，只是保证了正常功能。

由于后面参与公司新的后台服务器架构开发，将会使用到RabbitMQ中间件，后续将不定期慢速更新RabbitMQ及后台架构设计相关博客，欢迎关注！