[网络协议]RSA非对称加密

一、背景

要对接实时翻译的平台，而对方提供的加密方式就是RSA（非对称加密），以往都是php对接，所以也没有深度研究过该加密方式，趁此次机会，学习一下

二、概述

非对称加密就是加密和解密使用的不是相同的密钥：只有同一个公钥-私钥对才能正常加解密。

比如，如果A要加密一个文件发送给B，他应该先向B索要公钥，然后用B给他的公钥加密，把加密文件发送给B，此文件只能由B的私钥解开。因为B的私钥在他自己手机，所以，除了B，没有任何人能解开此加密文件。

非对称加密的典型算法就是RSA算法，它是由Ron Rivest，Adi Shamir，Leonard Adleman这三个哥们一起发明的，所以用他们仨的姓的首字母缩写表示。

优点： 非对称加密相比对称加密的显著优点在于，对称加密需要协商密钥，而非对称加密可以安全地公开各自的公钥，在N个人之间通信的时候，使用废对称加密只需要N各密钥对，每个人只管理自己的密钥对。而使用对称加密需要N*(N-1)/2个密钥，因此每个人需要管理N-1个密钥，密钥管理难度大，且非常容易泄露。

缺点： 非对称加密的缺点就是运算速度非常慢，比对称加密要慢得多。

所以在实际应用中，两者总是一起使用。假设A要给B传输加密文件，他俩首先交换了各自的公钥，然后：

• A生成一个随机的AES口令，然后用B的公钥通过RSA加密这个口令， 并发给B；
• B用自己的RSA私钥解密得到AES口令；
• 双方使用这个共享的AES口令用AES加密通信。

可见非对称加密实际上应用在第一步，即加密‘AES口令’，这也是浏览器中常用的https协议的做法，即浏览器和服务器先通过RSA交换AES口令，接下来双方通信实际上采用的是速度较快的AES对称加密，而非缓慢的RSA非对称加密。

知识点： RSA算法，它的密钥有256/512/1024/2048/4096等不同的长度。长度越长，密码强度越大，当然计算速度也越慢。使用512bit的RSA加密时，明文长度不能超过53字节，使用1024bit的RSA加密时，明文长度不能超过117字节，这也是为什么使用RSA的时候，总是配合AES一起使用，即用AES加密任意长度的明文，用RSA加密AES口令。只使用非对称加密算法不能防止中间人攻击。

三、RSA PKCS公钥加密标准

RSA PCKS(Public-Key Cryptography Standards Series 公钥加密标准系列)，为了定义 RSA 加密的标准系列，IETF 组织总共定义了 15 个子系列标准，分别用在定义标准格式、如何封装、公钥加密封装标准、私钥加密封装标准、网络传输序列化标准等等… 具体可以参考 wikipedia PCKS 的解释: https://en.wikipedia.org/wiki/PKCS；
PKCS #1 RSA Cryptography Standard： 定义了公钥加密技术(RSA)相关的数学属性以及相关的公钥和密钥的格式标准（通过 ASN.1 的格式标准来定义并明文展示），以及为 RSA 进行加密、解密，生成和验证签名等操作定义了基本的算法和编码/补零(padding)的方案；PCKS #1 定义的都是明文的格式；

除此以外，还有

四、密钥格式

• PKCS #1： 该标准是专门为RSA密钥进行定义的，其对应的PEM文件格式如下：

公钥PEM格式：

-----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----
BASE64 ENCODED DATA
-----END RSA PUBLIC KEY-----

私钥PEM文件格式：

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
BASE64 ENCODED DATA
-----END RSA PRIVATE KEY-----

• PKCS #8： 该标准定义了一个密钥格式的通用方案，它不仅仅为 RSA 所使用，同样也可以被其它密钥所使用；其对应的PEM文件格式如下：

公钥PEM格式：

-----BEGIN PUBLIC KEY-----
BASE64 ENCODED DATA
-----END PUBLIC KEY-----

私钥PEM文件格式：

-----BEGIN PRIVATE KEY-----
BASE64 ENCODED DATA
-----END PRIVATE KEY-----

知识点： PEM和DER都是指文件的格式；其中DER是密钥的二进制表述格式，PEM是对DER编码转码为Base64字符的格式，通过解码还是能还原为DER格式的。

五、填充模式

跟DES、AES一样，RSA也是一个块加密算法，即总是在一个固定长度的块上进行操作，但是跟AES不同的是，block length跟key length以及所使用的填充模式有关。

• RSA_PKCS1_PADDING
  最常用的填充模式，要求：
  输入必须比RSA钥 模长（modulus）短至少11ge字节，也就说输入长度要小于等于 RSA _size - 11 ;如果输入的明文过长，必须切割，然后填充；
  输出 和modulus以一样长
  根据这个要求，也就解释了在概述中密钥长度不同，明文长度就受限。
  block length = 512/8 - 11 = 53字节
  block length = 1024/8 -11 = 117字节
  加密的时候会在你的明文中随机填充一些数据，所以会导致对同样的明文每次加密后的结果都不一样。
  对加密后的密文，服务器使用相同的填充方式都能解密。解密后的明文也就是之前加密的明文。

• RSA_PKCS1_OAEP_PADDING
  输入 比 RSA modulus 短至少41个字节
  输出 和modulus一样长

• OPENSSL_NO_PADDING
  输入可以和RSA modulus一样长，如果输入的明文过长，必须切割，　然后填充
  输出和modulus一样长
  如果你的明文不够128字节，加密的时候会在你的明文前面填充零。
  解密后的明文也会包括前面填充的零，这是服务器需要注意把解密后的字段前向填充的零去掉，才是真正之前加密的明文。

六、实战代码示例

<?php

namespace App\Services;
/**
 * 填充方式为RSA_PKCS1_PADDING,
 * 密钥格式为PKCS1-V1_5
 * */
class AtmanService
{

    const API_TRANSFER_PATH = '/api/rsa/sso';
    /**
     * 构造函数
     */
    public function __construct() {
    }

    /**
    获取公共key字符串  重新格式化 为保证任何key都可以识别
     */

    public static function get_public_key(){
        $public_key = file_get_contents('public.txt');
        $search = [
            "-----BEGIN PUBLIC KEY-----",
            "-----END PUBLIC KEY-----",
            "\n",
            "\r",
            "\r\n"
        ];
        $public_key=str_replace($search,"",$public_key);
        return openssl_pkey_get_public($search[0] . PHP_EOL . wordwrap($public_key, 64, "\n", true) . PHP_EOL . $search[1]);
    }

    /**
    获取私有key字符串 重新格式化  为保证任何key都可以识别
     */
    public static function get_private_key()
    {
        $private_key= file_get_contents('private.txt');
        $search = [
            "-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----",
            "-----END RSA PRIVATE KEY-----",
            "\n",
            "\r",
            "\r\n"
        ];

        $private_key = str_replace($search, "", $private_key);
        return openssl_pkey_get_private($search[0] . PHP_EOL . wordwrap($private_key, 64, "\n", true) . PHP_EOL . $search[1]);

    }

    /**
     * 用公钥加密
     */
    public static function public_encrypt($input) {
        if (!is_string($input)) {
            return null;
        }

        openssl_public_encrypt($input,$output,self::get_public_key(),OPENSSL_PKCS1_PADDING);
        return base64_encode($output);
    }


    /**
     * 解密 公钥加密后的密文
     */
    public static function private_decrypt($input)
    {
        if (!is_string($input)) {
            return null;
        }

        openssl_private_decrypt(base64_decode($input), $output, self::get_private_key(), OPENSSL_PKCS1_PADDING);
        return $output;

    }

}

前人栽树，后人乘凉
栽树人1