密码学基础-公钥密码与RSA、SM2算法设计原理

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已于 2025-03-31 08:52:41 修改

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文章标签：密码学算法

于 2025-03-31 02:12:02 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Sensitive_web_chaser/article/details/146785104

引言

在数字化社会中，信息安全的核心挑战之一是如何在不安全的通信渠道中实现安全的数据传输与身份验证。公钥密码学（Public Key Cryptography）通过“非对称加密”思想，彻底改变了传统密码学的密钥管理难题。从全球广泛应用的RSA算法到中国自主研发的SM2国密算法，公钥密码技术不断演进，成为数字签名、密钥协商、区块链等场景的基石。本文将深入解析公钥密码的核心逻辑，并对比剖析RSA与SM2算法的设计原理与独特优势。

一、公钥密码学：非对称加密的革命

1. 核心思想

公钥密码学使用一对数学关联的密钥：

公钥（Public Key）：公开分发，用于加密或验证签名。
私钥（Private Key）：严格保密，用于解密或生成签名。
其核心突破在于解决了对称加密中密钥分发的安全性问题。

2. 核心功能

加密与解密：公钥加密数据，私钥解密。
数字签名：私钥生成签名，公钥验证签名。
密钥协商：双方通过公钥交换生成共享密钥（如TLS握手）。

3. 安全性基石

公钥密码的安全性依赖于数学难题的复杂性：

RSA：大整数质因数分解的困难性。
ECC（椭圆曲线密码学）：椭圆曲线离散对数问题（ECDLP）的难解性。

二、RSA算法：经典公钥密码的标杆

1. 历史背景

RSA由Rivest、Shamir和Adleman于1977年提出，是首个既能加密又能签名的公钥算法，至今仍是SSL/TLS、数字证书等领域的主流选择。

2. 算法设计原理

（1）密钥生成

随机选择两个大质数pp和qq，计算N=p×qN=p×q。
计算欧拉函数ϕ(N)=(p−1)(q−1)ϕ(N)=(p−1)(q−1)。
选择整数ee（通常为65537），满足1<e<ϕ(N)1<e<ϕ(N)且与ϕ(N)ϕ(N)互质。
计算dd使得e×d≡1mod ϕ(N)e×d≡1modϕ(N)，即dd为ee的模逆元。

公钥：(N,e)(N,e)
私钥：(N,d)(N,d)

（2）加密与解密

加密：明文mm转换为整数后计算密文c=memod Nc=memodN。
解密：计算m=cdmod Nm=cdmodN。

（3）数字签名

签名生成：对消息哈希值H(m)H(m)计算s=H(m)dmod Ns=H(m)dmodN。
签名验证：验证semod NsemodN是否等于H(m)H(m)。

3. 安全性分析

攻击威胁：若量子计算机可高效分解大整数，RSA将失效（需转向抗量子算法）。
密钥长度：推荐使用3072位及以上密钥以抵御现代算力攻击。

三、SM2算法：中国密码标准的自主创新

1. 背景与意义

SM2算法由中国国家密码管理局（OSCCA）于2010年发布，基于**椭圆曲线密码学（ECC）**设计，是我国商用密码体系的核心算法之一。其目标是替代RSA等国际算法，实现密码技术的自主可控。

2. 算法设计原理

（1）椭圆曲线基础

定义：SM2采用标准椭圆曲线方程y2=x3+ax+by2=x3+ax+b，并指定一组公开参数（如基点GG）。
核心难题：已知基点GG和公钥P=k×GP=k×G，求解私钥kk（椭圆曲线离散对数问题）。

（2）密钥生成

随机生成私钥dd（256位整数，1≤d≤n−11≤d≤n−1，nn为基点阶数）。
计算公钥P=d×GP=d×G。

（3）加密与解密

加密：
1. 生成随机数kk，计算点C1=k×GC1=k×G。
2. 计算共享密钥S=k×PS=k×P，并派生对称密钥加密明文。
3. 输出密文(C1,C2,C3)(C1,C2,C3)。
解密：
1. 计算共享密钥S=d×C1S=d×C1。
2. 使用SS解密密文部分C2C2。

（4）数字签名（SM2签名流程）

计算消息哈希值Z=H(m)Z=H(m)。
生成随机数kk，计算点(x,y)=k×G(x,y)=k×G。
计算r=(x+Z)mod nr=(x+Z)modn，若r=0r=0则重新生成kk。
计算s=(1+d)−1×(k−r×d)mod ns=(1+d)−1×(k−r×d)modn。
输出签名(r,s)(r,s)。

3. 优势与特点

安全性高：256位SM2密钥安全性相当于3072位RSA。
计算效率高：椭圆曲线运算速度更快，适合移动设备。
国产化支持：符合中国密码行业标准（GM/T 0003-2012）。

四、RSA vs SM2：对比与选择

维度	RSA	SM2
数学基础	大整数分解难题	椭圆曲线离散对数问题（ECDLP）
密钥长度	3072位（等效256位ECC）	256位
计算速度	加密/解密慢，签名较快	加密/解密快，资源占用低
标准化	国际通用（PKCS#1, X.509）	中国国标（GM/T 0003）
抗量子能力	易受量子攻击（Shor算法）	当前无有效量子攻击方法