1、对 RSA 算法进行研究,从常规 RSA 算法出发,用 C#实现 RSA 加密算法类库,并在 32 位 windows 平台封装成组件。在.Net 平台引用此组件,实现可以对任意文件进行RSA 加密操作的窗体应用程序。经过加密的文件以及密钥文件都是文本文件。给出关键类类图、整个应用程序的结构描述文档、关键模块流程图、较详细的接口文档、所有源代码。对应用程序进行测试,对测试结果进行分析研究,进而对应用程序进行改进,对关键算法进行尽可能的优化,最终得到一个在windows 运行的可以用指定密钥对任意文件进行RSA 加密并可解密的完整应用程序,和一些相关的可移植组件。关键词:RSA , RSA 算法
2、, 文件加密, 加密成文本17目录第1 章 RSA 应用现状及应用于文件加密的分析41.1 RSA 算法介绍与应用现状41.2 RSA 应用于文件加密的分析51.2.1 文件加密使用 RSA 的可行性51.2.2 文件加密使用 RSA 的意义6第 2 章 RSA 文件加密软件的设计与实现72.1 需求分析与总体设计72.1.1 功能分析72.1.2 工程方案选择82.2 各部分的设计与开发102.2.1 实现 RSA 加密算法的 C#核心类库103.2 测试数据与分析改进143.2.1 密钥生成测试143.2.2 数据输入输出测试163.2.3 加密解密测试16总结与体会17致谢17参考文献1
3、7 前言RSA 公钥加密算法是第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法。它易于理解和操作,也十分流行。算法的名字以发明者的姓氏首字母命名:Ron Rivest, Adi Shamir 和Leonard Adleman。虽然自 1978 年提出以来,RSA 的安全性一直未能得到理论上的证明,但它经历了各种攻击,至今(2007 年)未被完全攻破。随着越来越多的商业应用和标准化工作,RSA 已经成为最具代表性的公钥加密技术。VISA、MasterCard、IBM、Microsoft 等公司协力制定的安全电子交易标准(Secure Electronic Transactions,SET)就采用了标
4、准RSA 算法,这使得RSA 在我们的生活中几乎无处不在。网上交易加密连接、网上银行身份验证、各种信用卡使用的数字证书、智能移动电话和存储卡的验证功能芯片等,大多数使用 RSA 技术。当今公钥加密更广泛应用于互联网身份认证,本课题将公钥加密算法RSA 应用于小型文件加密。将任意文件加密成文本的解决方案,使其使用更加灵活。整个工程的分层设计, 给引用移植和后续开发带来便利。第 1 章 RSA 应用现状及应用于文件加密的分析1.1 RSA 算法介绍与应用现状RSA 算法可以简单叙述如下: 取素数p,q,令 n=pq. 取与(p-1)(q-1)互素的整数 e,由方程de=1 (mod (p-1)(q
5、-1)解出 d, 二元组(e,n)作为公开密钥,二元组(d,n)作为私有密钥加密解密b=aemod n ,c=bdmod n. 附录中给出了证明a=c (mod n). RSA 公开密钥加密算法自20 世纪 70 年代提出以来,已经得到了广泛认可和应用。发展至今,电子安全领域的各方面已经形成了较为完备的国际规范。RSA 作为最重要的公开密钥算法,在各领域的应用数不胜数。RSA 在硬件方面,以技术成熟的 IC 应用于各种消费类电子产品。RSA 在软件方面的应用,主要集中在Internet 上。加密连接、数字签名和数字证书的核心算法广泛使用RSA。日常应用中,有比较著名的工具包Open SSL(S
6、SL,Security Socket Layer,是一个安全传输协议,在Internet 上进行数据保护和身份确认。Open SSL 是一个开 放源代码的实现了SSL 及相关加密技术的软件包,由加拿大的Eric Yang 等发起编写的。相关详细介绍见http:/www.openssl.org/about/) 。Open SSL 应用 RSA 实现签名和密钥交换,已经在各种操作系统得到非常广泛的应用。另外,家喻户晓的 IE 浏览器,自然也实现了SSL 协议,集成了使用RSA 技术的加密功能,结合MD5 和 SHA1,主要用于数字证书和数字签名, 对于习惯于使用网上购物和网上银行的用户来说,几乎天
7、天都在使用RSA 技术。RSA 更出现在要求高度安全稳定的企业级商务应用中。在当今的企业级商务应用中,不得不提及使用最广泛的平台j2ee。事实上,在j2se 的标准库中,就为安全和加密服务提供了两组 API:JCA 和 JCE。JCA (Java Cryptography Architecture) 提供基本的加密框架, 如证书、数字签名、报文摘要和密钥对产生器;JCA 由几个实现了基本的加密技术功能的类和接口组成,其中最主要的是java.security 包,此软件包包含的是一组核心的类和接口,Java 中数字签名的方法就集中在此软件包中。JCE(Java Cryptography Exte
8、nsion) 在 JCA 的基础上作了扩展,JCE 也是由几个软件包组成,其中最主要的是javax.crypto 包,此软件包提供了 JCE 加密技术操作 API。javax.crypto 中的 Cipher 类用于具体的加密和解密。在上述软件包的实现中,集成了应用RSA 算法的各种数据加密规范(RSA 算法应用规范介绍参见: ,这些 API 内部支持的算法不仅仅只有RSA,但是 RSA 是数字签名和证书中最常用的),用户程序可以直接使用java标准库中提供的API 进行数字签名和证书的各种操作。单机应用程序使用RSA 加密尚比较少见,例如使用RSA 加密任意一个文件。1.2 RSA 应用于文
9、件加密的分析1.2.1 文件加密使用 RSA 的可行性通过 1.1 节的论述,不难看出RSA 当今的应用多在于数字签名和证书等方面。之所以只应用于这些短小数据的加密解密,是因为 RSA 算法加密极慢,速度是 DES 对称密钥加密速 度的千分之一左右。正是因为这样,把 RSA 应用于普通文件加密的想法一直被忽略。通常文件被想象成大数据块,但是实际上在日常应用中,有些极其重要的文本资料是并不太大的, 比如因担心遗忘而用普通文本记录的银行帐号和密码、不应被陌生人知道的重要电话号码、几千字节大的重要小图片等。其实从一个简单的角度来说,既然RSA 用于数字签名可行,那就完全可以用于同样大小的普通文件。对
10、于较大的文件,如果分成与数字签名同样大小的段(这里假设数字签名较 短,不分段一次计算加密完成),分开的各段逐一进行加密运算,那所需要的时间也只是按文件大小线性的增长。通常数字签名为几十字节,加密运算并不需要很长的等待,这就说明 对于几百字节或一两K 字节大小的文件来说,如果进行 RSA 加密,并不会是非常漫长的工作。当然,如果文件更大,加密就显得十分漫长了。比如按前面叙述的45 毫秒大数运算程序推理,加密 1M 字节大小的文件需要约1 天的时间。所以,要在普通 PC 用几百位以上的长密钥RSA 加密文件,文件不能过大,一般可以接受的上限是几KB。如果要在较短时间内加密大文件,需要缩短密钥长度以
11、减小运算量,这将带来安全性隐患。本文的第 3 章将根据实际调试好的软件,测试给出具体的时间消耗数据。例如,在一台配置为AMD Athron2800+,外频333MHZ,物理内存512MB 的PC 上测试实现的软件,以 560bit的 n 逐字节加密一个 1KB 大小的文件需要 55 秒。通常记录如银行帐号密码等重要数据的文本文件大小不足百字节,加密只需要数秒钟。所以对于小型文件,进行较长密钥的RSA 加密是完全可行的。1.2.2 文件加密使用 RSA 的意义如 1.2.1 节所述,小型文件加密可以使用RSA。比如,因担心遗忘而用普通文本记录的银行帐号和密码、不应被陌生人知道的重要电话号码、几千
12、字节大的重要小图片等。可行的方法未必是必要的,本小节讨论何种文件适合用非对称密钥加密,即 RSA 加密文件的意义所在。对于前面叙述的带有重要信息的小型文本和二进制数据的维护,如果不加密,将无 法放心的保存在计算机上,尤其是连网的或机房里的公共计算机。如果借助功能强大的大 型多用户数据保护程序维护几个小型文件,显得十分烦琐,好比杀鸡用牛刀。如果采用对 称密钥加密,即加密解密的密钥相同,只适合部分情况。在某些情况下,使用对称密钥加密 文件,交流使用不够方便。比如,张三由于某种原因,需要将自己的某个文件在公共计算机上留给李四,而不希望别人看到内容。如果采用对称密钥加密,张三和李四提前约好一个密 码就
13、可以。但是如果张三想要在同一台公共计算机上再留一个秘密文件给王五,而不希望别 人看到,就要和王五另外约定一个密码。如果需要在这台公共计算机上留十个文件给不同的 人,自己就要记和十个人约定好的密码,这样以来交流起来不够方便,因为对于张三,要自 己维护太多的密钥。非对称密钥(公开密钥方式)恰好解决这样的问题。只要大家都在这台计 算机或这台计算机可以访问到的地方,留下自己的公开密钥,一切就变的容易解决了。张三 要留给李四的文件,就用李四的公开密钥加密,要留给王五的文件,就用王五的公开密钥加 密。李四和王五只要把留给自己的文件用自己的私有密钥解密,就可以得到留给自己的文件 了。显然,非对称密钥体制更适
14、合多用户交流,而将这种加密方式直接应用于文件加密,使我们在公开场合的交流更加灵活方便。一种更实际的情况是,我们想通过 Internet 上的公众论坛或邮件发送重要保密信息给某人。例如发送一个银行帐号和密码给某人。这种情况要保证安全,在当今互联网络上是比较棘手的。如果用公众论坛直接留言给指定用户,论坛管理员和服务器管理员通常有方法 看到数据。如果发送邮件,虽然传送过程是加密的,但是密码毕竟是由邮件服务器维护, 所以系统管理员通常也有办法看到内容。问题的关键在于我们所有的数据包括密钥保存在服 务器之上。在这种情况下,我们需要使用公开密钥方式,并自己维护私有密钥。RSA 文件加密可以灵活的解决这些问题。例如,我们可以将任意一个文件用某人的公开密钥加密变换成 一段可以复制粘贴的文本,然后粘贴在公众互联网上,对方只需把需要解密的文本复制保存 成一个文本文件,在本地机用自己的私有密钥解密即可。我们可以将自己的私有密钥通过DES 加密后保存在自己的移动磁盘上,使用的时候只要将其解密读取即可,用完后立即从当前操作环境清除。这样,我们自己维护自己的私有密钥,利用简单并且公开的方式,可以安 全传送任意小型数据,包括一切二进制文件。所以,对于使用小型文件进行数据交换的情况,更好的方案是
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