C++ CryptoPP使用RSA加解密

Crypto++ (CryptoPP) 是一个用于密码学和加密的 C++ 库。它是一个开源项目，提供了大量的密码学算法和功能，包括对称加密、非对称加密、哈希函数、消息认证码 (MAC)、数字签名等。Crypto++ 的目标是提供高性能和可靠的密码学工具，以满足软件开发中对安全性的需求。RSA（Rivest-Shamir-Adleman）是一种非对称加密算法，由三位密码学家Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman于1977年共同提出。RSA算法被广泛应用于信息安全领域，特别是在数字签名和密钥交换等场景中。

以下是RSA加密算法的主要概述：

1. 非对称加密： RSA是一种非对称加密算法，使用一对公钥和私钥。公钥用于加密，私钥用于解密。这种非对称性质使得RSA在密钥交换和数字签名方面有着重要的应用。
2. 大数分解： RSA的安全性基于大数分解问题的困难性。具体而言，RSA的安全性取决于将两个大质数相乘得到的结果难以分解为这两个质数的乘积。当前的技术水平下，对大数的分解仍然是一项困难的任务，从而确保了RSA的安全性。
3. 密钥生成： RSA密钥生成包括选择两个大素数、计算其乘积（模数）和选择与欧拉函数互质的指数。这些步骤最终生成了公钥和私钥。
4. 加密过程： 加密者使用接收者的公钥对消息进行加密。RSA的加密过程涉及模数的幂运算，其计算复杂度较高。
5. 解密过程： 只有持有私钥的接收者才能解密消息。解密过程涉及模数的私钥指数的幂运算，从而得到原始消息。
6. 数字签名： RSA可以用于数字签名，用私钥对消息的哈希值进行签名，而任何人都可以使用相应的公钥验证签名的有效性。这在确保消息完整性和身份验证方面非常有用。
7. 密钥交换： RSA也广泛用于密钥交换，例如在安全套接字层（SSL/TLS）协议中。两方可以使用对方的公钥加密会话密钥，而只有持有相应私钥的一方才能解密会话密钥。
8. 安全性： RSA的安全性依赖于大数分解问题的难解性。随着计算能力的增强，密钥长度需要不断增加以保持安全性。一般而言，2048比特或3072比特的密钥长度被认为是安全的。

总体而言，RSA是一种强大而灵活的加密算法，广泛用于保护通信的机密性、完整性和身份验证。由于其非对称性质，RSA在密钥交换和数字签名等场景中发挥着重要作用。

关键特点

1. 非对称加密： RSA是一种非对称加密算法，使用两个密钥：公钥和私钥。公钥用于加密，私钥用于解密。
2. 数学基础： RSA的安全性基于数论的难题，主要是大数因子分解。其原理是利用大质数的乘积很容易计算，但给定乘积却难以分解出其质因数。
3. 密钥生成： RSA的密钥生成包括选择两个大质数，计算它们的乘积作为模数，并选择一个与欧拉函数互质的公钥指数。私钥则是根据公钥指数和模数计算得到的。
4. 加解密过程：
   • 加密：使用接收者的公钥对消息进行加密。
   • 解密：只有接收者拥有相应的私钥才能解密消息。
5. 数字签名： 除了加密和解密，RSA还可用于数字签名。发送者使用私钥对消息进行签名，接收者使用发送者的公钥来验证签名的真实性和完整性。
6. 密钥长度： RSA密钥的长度通常以比特位为单位表示，常见的长度包括1024位、2048位和3072位。较长的密钥长度提供更高的安全性，但也可能导致性能损失。
7. 应用领域： RSA广泛应用于数据加密、数字签名、密钥交换等场景。它是许多安全通信协议（如TLS、SSH）和数字证书的基础。

加解密流程

1. 密钥生成： 选择两个大质数（p和q），计算它们的乘积N。选择公钥指数e，满足e与(N)的欧拉函数ϕ(N)互质。计算私钥指数d，使得(e * d) mod ϕ(N) = 1。
2. 加密与解密过程：

RSA算法的安全性基于大整数因子分解的困难性，因此密钥的长度选择至关重要。随着计算能力的提高，一般建议使用2048位或更长的密钥以确保足够的安全性。

函数API概述

AutoSeededRandomPool 类

用于提供安全的伪随机数生成器。这个类会根据系统的熵源自动初始化，以确保生成的随机数足够安全。在 Crypto++ 库中，伪随机数生成器是通过 RandomNumberGenerator 接口实现的。AutoSeededRandomPool 是 RandomNumberGenerator 接口的一个具体实现。

InvertibleRSAFunction 类。

在 RSA 加密系统中，InvertibleRSAFunction 通常用于存储 RSA 密钥的信息，包括公钥和私钥。这个类通常与 RSA::PublicKey 和 RSA::PrivateKey 一起使用。InvertibleRSAFunction 存储了 RSA 密钥的模数（modulus）和指数（exponent），而 RSA::PublicKey 和 RSA::PrivateKey 则分别包含了公钥和私钥的其他相关信息。

RSA::PrivateKey 类

是 Crypto++ 中用于表示 RSA 私钥的类。RSA（Rivest-Shamir-Adleman）是一种非对称加密算法，它使用一对密钥：公钥和私钥。私钥用于解密或签名，而公钥用于加密或验证签名。

在 Crypto++ 中，RSA::PrivateKey 包含了 RSA 密钥的关键信息，包括模数（Modulus）和私钥指数（Private Exponent）。这些信息是在生成 RSA 密钥对时使用 InvertibleRSAFunction 类生成的。

以下是 RSA::PrivateKey 类的一些关键成员和作用：

• 构造函数：PrivateKey 类的构造函数接受一个 InvertibleRSAFunction 对象作为参数，用于初始化私钥的关键信息。
• GetModulus() 方法：获取私钥的模数。模数是 RSA 算法中的一个关键参数，用于加密和解密操作。
• GetPrivateExponent() 方法：获取私钥的指数。私钥指数是 RSA 算法中的另一个关键参数，用于解密和签名操作。

私钥是安全性关键的信息，应当妥善保护。在使用 RSA 进行加密、解密、签名或验证时，相应的密钥对（公钥和私钥）必须配套使用。私钥不应该暴露给不信任的方，而公钥则可以公开分享。

RSA::PublicKey 类

是 Crypto++ 中用于表示 RSA 公钥的类。RSA（Rivest-Shamir-Adleman）是一种非对称加密算法，它使用一对密钥：公钥和私钥。公钥用于加密或验证签名，而私钥用于解密或签名。

RSA::PublicKey 包含了 RSA 密钥的关键信息，包括模数（Modulus）和公钥指数（Public Exponent）。这些信息是在生成 RSA 密钥对时使用 InvertibleRSAFunction 类生成的。

以下是 RSA::PublicKey 类的一些关键成员和作用：

• 构造函数：PublicKey 类的构造函数接受一个 InvertibleRSAFunction 对象作为参数，用于初始化公钥的关键信息。
• GetModulus() 方法：获取公钥的模数。模数是 RSA 算法中的一个关键参数，用于加密和解密操作。
• GetPublicExponent() 方法：获取公钥的指数。公钥指数是 RSA 算法中的另一个关键参数，用于加密和验证签名操作。

公钥是用于加密和验证签名的关键信息，通常可以被分享给其他人或实体。然而，私钥仍然应该被妥善保护，因为私钥用于解密和签名，是安全性关键的信息。

**RSAES_OAEP_SHA_Encryptor **

是 Crypto++ 中用于实现 RSA-OAEP（Optimal Asymmetric Encryption Padding）加密的类。RSA-OAEP 是一种非对称加密方案，广泛用于保护信息的机密性。

以下是 RSAES_OAEP_SHA_Encryptor 类的一些关键概述：

• 功能：RSAES_OAEP_SHA_Encryptor 类实现了基于 RSA-OAEP 方案的加密功能。它通过 RSA 公钥对输入数据进行加密，使用 OAEP 进行填充。
• 构造函数：该类的构造函数接受一个 RSA 公钥作为参数，用于初始化加密器。公钥包含了加密操作所需的关键信息，如模数和指数。
• 加密操作：通过调用 ProcessBlock 方法执行加密操作。这个方法接受待加密的数据块和一个随机数生成器作为参数，并返回加密后的数据块。
• 数据填充：RSA-OAEP 使用 Optimal Asymmetric Encryption Padding 进行数据填充。这是一种具有良好安全性属性的填充方案，旨在提供对抗各种攻击，包括选择密文攻击。
• 安全性：RSA-OAEP 是一种安全的加密方案，提供了对抗许多已知攻击的强大保护。然而，它的安全性仍然依赖于正确的实现和使用。

**RSAES_OAEP_SHA_Decryptor **

是 Crypto++ 中用于实现 RSA-OAEP（Optimal Asymmetric Encryption Padding）解密的类。RSA-OAEP 是一种非对称加密方案，广泛用于保护信息的机密性。

以下是 RSAES_OAEP_SHA_Decryptor 类的一些关键概述：

• 功能：RSAES_OAEP_SHA_Decryptor 类实现了基于 RSA-OAEP 方案的解密功能。它通过 RSA 私钥对输入数据进行解密，使用 OAEP 进行填充。
• 构造函数：该类的构造函数接受一个 RSA 私钥作为参数，用于初始化解密器。私钥包含了解密操作所需的关键信息，如模数和指数。
• 解密操作：通过调用 ProcessBlock 方法执行解密操作。这个方法接受待解密的数据块和一个随机数生成器作为参数，并返回解密后的数据块。
• 数据填充：RSA-OAEP 使用 Optimal Asymmetric Encryption Padding 进行数据填充。这是一种具有良好安全性属性的填充方案，旨在提供对抗各种攻击，包括选择密文攻击。
• 安全性：RSA-OAEP 是一种安全的解密方案，提供了对抗许多已知攻击的强大保护。然而，它的安全性仍然依赖于正确的实现和使用。

#include <Windows.h>
#include <iostream>

#include <rsa.h>
#include <files.h>
#include <osrng.h>
#include <base64.h>
#include <hex.h>
#include <randpool.h>

using namespace std;
using namespace CryptoPP;

#pragma comment(lib,"cryptlib.lib")

// 生成RSA密钥对
void GenerateRSAKeyPair(RSA::PrivateKey& privateKey, RSA::PublicKey& publicKey)
{
	AutoSeededRandomPool rng;

	InvertibleRSAFunction parameters;
	parameters.GenerateRandomWithKeySize(rng, 2048);

	privateKey = RSA::PrivateKey(parameters);
	publicKey = RSA::PublicKey(parameters);
}

// RSA加密
std::string RSAEncrypt(const RSA::PublicKey& publicKey, const std::string& plainText)
{
	AutoSeededRandomPool rng;
	RSAES_OAEP_SHA_Encryptor encryptor(publicKey);

	std::string cipherText;

	StringSource(plainText, true,
		new PK_EncryptorFilter(rng, encryptor,
		new StringSink(cipherText)
		)
		);

	return cipherText;
}

// RSA解密
std::string RSADecrypt(const RSA::PrivateKey& privateKey, const std::string& cipherText)
{
	AutoSeededRandomPool rng;
	RSAES_OAEP_SHA_Decryptor decryptor(privateKey);

	std::string recoveredText;

	StringSource(cipherText, true,
		new PK_DecryptorFilter(rng, decryptor,
		new StringSink(recoveredText)
		)
		);

	return recoveredText;
}

上述代码中GenerateRSAKeyPair用与临时生成密钥对，RSAEncrypt用于对数据加密，RSADecrypt则用于对数据解密操作，如下所示；

int main(int argc, char* argv[])
{
	try
	{
		RSA::PrivateKey privateKey;
		RSA::PublicKey publicKey;

		// 生成RSA密钥对
		GenerateRSAKeyPair(privateKey, publicKey);

		// 待加密的文本
		std::string plainText = "Hello, LyShark !";

		// RSA加密
		std::string cipherText = RSAEncrypt(publicKey, plainText);
		std::cout << "Cipher Text: " << cipherText << std::endl;

		// RSA解密
		std::string recoveredText = RSADecrypt(privateKey, cipherText);
		std::cout << "Recovered Text: " << recoveredText << std::endl;
	}
	catch (CryptoPP::Exception& e)
	{
		std::cerr << "Crypto++ Exception: " << e.what() << std::endl;
		return 1;
	}

	system("pause");
	return 0;
}

运行效果图如下图所示；