使用 openssl 进行 RSA 加解密
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在我之前的一篇博客中 RSA 公钥加密原理 中, 对 RSA 非对称加密原理做了简单的阐述。这篇博客主要聊如何使用 OPENSSL 进行密钥对的生成，以及非对称加解密。
一. 生成密钥对
在 OPENSSL 中， RSA 是一个很重要的结构体。它的定义在 rsa_locl.h 中，面包含了在原理中提到的所有重要的变量 随机质数 p, q, 公钥指数 e， 私钥指数 d, 以及模数 n
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struct rsa_st { // ... BIGNUM *n; BIGNUM *e; BIGNUM *d; BIGNUM *p; BIGNUM *q; // ... }; |
生成密钥函数：
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int RSA_generate_key_ex(RSA *rsa, int bits, BIGNUM *e, BN_GENCB *cb); |
bits密钥的规模(modulus)。小于 1028 位的密钥是不安全的，小于 512 则会返回 0e公开的指数。它应该是一个奇数(odd number), 一般是3, 17或65537cb生成大随机数的回调函数。一般使用 NULL 即可, 默认为BN_GENCB_call()
生成公私钥并写入文件的代码示例：
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#include <openssl/rsa.h> #include <openssl/evp.h> #include <openssl/bn.h> #include <openssl/pem.h> #include <openssl/applink.c> //important! void gen_rsa_key() { RSA *rsa = RSA_new(); BIGNUM *e = BN_new(); BN_set_word(e, 17); BN_GENCB* gencb = NULL; EVP_PKEY* pkey = EVP_PKEY_new(); int rst = RSA_generate_key_ex(rsa, 3072, e, gencb); rst = EVP_PKEY_set1_RSA(pkey, rsa); FILE* f_pri = fopen("pri.key", "wb"); FILE* f_pub = fopen("pub.pem", "wb"); rst = PEM_write_RSAPublicKey(f_pub, rsa); rst = PEM_write_RSAPrivateKey(f_pri, rsa, 0, 0, 0, 0, 0); fclose(f_pri); fclose(f_pub); f_pri = NULL; f_pub = NULL; RSA_free(rsa); BN_free(e); EVP_PKEY_free(pkey); BN_GENCB_free(gencb); } |
二. 公私钥加解密
公私钥加解密两个步骤， 一是载入密钥， 二是加解密。
载入密钥使用 API ：
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PEM_read_RSAPublicKey() PEM_read_RSAPrivateKey() PEM_read_bio_RSAPrivateKey() PEM_read_bio_RSAPublicKey() |
当载入失败时返回 NULL。
而加解密中两个重要的 API 是：
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int RSA_public_encrypt(int flen, const unsigned char *from, unsigned char *to, RSA *rsa, int padding); int RSA_private_decrypt(int flen, const unsigned char *from, unsigned char *to, RSA *rsa, int padding); |
flen是输入数据的长度，必须小于等于modulus = RSA_size(rsa)个字节， 且和参数padding相关。当 flen 不满足要求时，将会出现"data too small for key size"或"data too large for key size"错误。 flen 与 padding 的对应关系如下：RSA_PKCS1_PADDING, flen <= modulus - 11RSA_SSLV23_PADDING, flen <= modulus - 11RSA_NO_PADDING, flen = modulusRSA_PKCS1_OAEP_PADDING, flen <= modulus - 41 (2 倍的 SHA1 长度 + 1)
padding是填充模式，当 flen 满足上述关系时，将会进行填充：RSA_PKCS1_PADDING, 最常用的模式，使用 PKCS #1 v1.5 标准，前两字节填充0x00, 0x02,接着的modulus - flen - 3字节使用随机非 '\0'值填充，接着填充一个字节的0x00, 然后是from数据RSA_SSLV23_PADDING, 前两个字节填充0x00,0x02, 接着的modulus - flen - 3 - 8字节填充随机非 '\0'值，然后填充 8 个0x03, 接着填充一个字节的0x00，然后是from数据RSA_NO_PADDING, 不需要填充RSA_PKCS1_OAEP_PADDING, 前20字节使用 SHA1 填充， 接着填充至少 20 字节的0x00, 最后填充0x01，接着是from数据
如图所示：
公私钥加解密示例：
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#include <openssl/rsa.h> #include <openssl/evp.h> #include <openssl/bn.h> #include <openssl/pem.h> #include <openssl/applink.c> //important! const char* pri_key_path = "pri.key"; const char* pub_key_path = "pub.pem"; const char *plain_text = "The EVP interface supports the ability to perform authenticated encryption and decryption, as well as the option to attach unencrypted," " associated data to the message. Such Authenticated-Encryption with Associated-Data (AEAD) schemes provide confidentiality by encrypting the data, and also" " provide authenticity assurances by creating a MAC tag over the encrypted data. The MAC tag will ensure the data is not accidentally altered or maliciously" " tampered during transmission and storage."; bool pub_encrypt(const char* pub_key_path, const unsigned char* in, int in_len, unsigned char*& out, int& out_len) { bool ret = false; RSA* rsa = RSA_new(); FILE* f = fopen(pub_key_path, "r"); if (!f) goto ERR; rsa = PEM_read_RSAPublicKey(f, &rsa, 0, 0); if (!rsa) goto ERR; fclose(f); f = NULL; out_len = RSA_size(rsa); if (in_len > out_len) goto ERR; out = (unsigned char*)malloc(out_len); int padding = RSA_PKCS1_PADDING; int rst = RSA_public_encrypt(in_len, in, out, rsa, padding); if (rst <= 0) { free(out); out = NULL; printf("%s\n", ERR_reason_error_string(ERR_get_error())); goto ERR; } ret = true; ERR: if(rsa) RSA_free(rsa); return ret; } bool pri_decrypt(const char* pri_key_path, const unsigned char* in, int in_len, unsigned char*& out, int& out_len) { bool ret = false; RSA* rsa = RSA_new(); FILE* f = fopen(pri_key_path, "r"); if (!f) goto ERR; rsa = PEM_read_RSAPrivateKey(f, &rsa, 0, 0); if (!rsa) goto ERR; fclose(f); f = NULL; out_len = RSA_size(rsa); if (in_len > out_len) goto ERR; out = (unsigned char*)malloc(out_len); int padding = RSA_PKCS1_PADDING; int rst = RSA_private_decrypt(in_len, in, out, rsa, padding); if (rst < 0) { free(out); out = NULL; printf("%s", ERR_reason_error_string(ERR_get_error())); goto ERR; } out_len = rst; ret = true; ERR: if (rsa) RSA_free(rsa); return ret; } int main() { //init_openssl(); unsigned char* cipher_text = NULL, *re_plain_text = NULL; int enc_out_len = 0, dec_out_len; bool rst = pub_encrypt(pub_key_path, reinterpret_cast<const unsigned char*>(plain_text), strlen(plain_text), cipher_text, enc_out_len); assert(rst); rst = pri_decrypt(pri_key_path, cipher_text, enc_out_len, re_plain_text, dec_out_len); assert(rst); assert(strlen(plain_text) == dec_out_len); int cmp = memcmp(plain_text, re_plain_text, dec_out_len); assert(cmp == 0); free(cipher_text); free(re_plain_text); //clean_openssl(); return 0; } |
三. Tips
1. 在 Windows 下运行出现崩溃 "no OPENSSL_Applink"
多半是因为代码运行库不匹配导致的。在Windows 中，运行时库有这几种：
- Single Threaded
/ML- MS VC++ often defaults to this for the release version of a new project. - Debug Single Threaded
/MLd- MS VC++ often defaults to this for the debug version of a new project. - Multithreaded
/MT - Debug Multithreaded
/MTd - Multithreaded DLL
/MD- OpenSSL defaults to this. - Debug Multithreaded DLL
/MDd
运行库不一致可能导致程序崩溃（通常是在进行IO操作时）。这种情况下可以重新编译 OPENSSL, 或者修改程序的运行库。更简单的办法，可以尝试添加一个文件引用：
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#include <openssl/applink.c> |