使用非对称密钥和 phpseclib 加密大型消息指南

核心要点

非对称加密（如 RSA）通过使用公钥加密、私钥解密解决密钥分发问题，公钥可安全传输，只有私钥持有者能解密消息
RSA 加密的局限在于只能处理有限长度的明文（例如 2048 位密钥最多加密 256 字节）
安全加密大型消息的解决方案：使用对称加密消息，再用接收方公钥加密对称密钥并附加到消息中
PHP 安全通信库 (phpseclib) 提供纯 PHP 实现的多种加密算法，可在缺乏快速加密函数的环境中可靠工作

引言

大多数人都理解传输敏感数据前需要加密。加密是将明文（普通数据）转化为密文（加密数据）的过程。该过程通过密钥和算法实现。读取数据时，密文必须使用密钥和算法解密恢复为明文。

加密算法是对密钥数值和明文字符串数值进行数学运算的过程，运算结果即为密文。密钥越大，密文越安全。

核心问题：任何加密算法都需解决密钥分发问题——如何安全地将密钥传输给需要建立安全通信的接收方？

解决方案取决于密钥和算法的性质。

加密算法与密钥

加密算法有两种基本类型：

对称算法：加密和解密使用相同密钥
非对称算法：加密和解密使用不同密钥

选择对称算法时，收发双方必须拥有相同密钥。若双方位于不同位置，密钥传输过程本身存在安全风险。

选择非对称算法时，存在两个密钥：公钥和私钥。公钥加密的数据只能用对应私钥解密。接收方先将公钥发送给发送方，发送方用该公钥加密消息后传输，接收方再用私钥解密。

非对称算法解决了密钥分发问题，接收方可自由分发公钥，因为只有私钥持有者能解密消息。

非对称算法解决了密钥分发问题。

强加密算法基于高级数学和数论。通常，对于给定密钥长度，若攻击者无密钥时解密耗时不可行，则该算法被视为"强加密"算法1。

由于加密算法复杂性，非数学专业人士选择算法可能困惑。因此许多商业和政府机构依赖美国国家标准与技术研究院（NIST）的加密建议。

RSA 密钥的问题

虽然非对称算法解决密钥分发问题，但存在另一问题：RSA 算法特性决定其只能加密有限长度的明文。例如 2048 位密钥最多只能加密 256 字节明文数据4。

问题总结：

非对称密钥易于安全交换，但消息大小受限
对称密钥支持无限消息大小，但难以安全交换

解决方案

解决方案是：用对称密钥加密消息，再用非对称方式加密该密钥并附加到消息中。

接收方收到消息后，提取加密的对称密钥，用私钥非对称解密，再用对称密钥解密消息。

加密步骤

接收方生成密钥对，将公钥发送给发送方
发送方生成随机对称密钥加密大消息
用对称密钥加密消息
用接收方公钥加密对称密钥
拼接加密后的对称密钥和加密消息
将加密消息发送给接收方

解密步骤

接收方获取消息后反向操作：

从消息中提取加密的对称密钥
用私钥解密对称密钥
用对称密钥解密消息

PHP 实现方案

我们将使用 PHP 安全通信库 (phpseclib) 演示该技术。这个开源库提供纯 PHP 实现的任意精度整数、RSA、DES、3DES、RC4、Rijndael、AES、SSH-1、SSH-2 和 SFTP 等功能。

该库优先使用快速加密函数（如 open_ssl 和 mcrypt）提升性能，但在共享主机等环境不可用时仍能可靠运行（速度较慢）。

可通过 Composer 安装，文档参见 phpseclib 文档。

示例代码

生成密钥对

$rsa = new Crypt_RSA();
$keys = $rsa->createKey(2048);
file_put_contents('key.pri',$keys['privatekey']);
file_put_contents('key.pub',$keys['publickey']);

加密函数

function encrypt_message($plaintext,$asym_key,$key_length=150)
{
    $rsa = new Crypt_RSA();
    $rij = new Crypt_Rijndael();
    
    // 生成随机对称密钥
    $sym_key = crypt_random_string($key_length);
    
    // 用对称密钥加密消息
    $rij->setKey($sym_key);
    $ciphertext = $rij->encrypt($plaintext);
    $ciphertext = base64_encode($ciphertext);
    
    // 用非对称密钥加密对称密钥
    $rsa->loadKey($asym_key);
    $sym_key = $rsa->encrypt($sym_key);
    
    // Base64编码对称密钥便于传输
    $sym_key = base64_encode($sym_key);
    $len = strlen($sym_key); // 获取长度
    $len = dechex($len); // 消息前3字节存储密钥长度
    $len = str_pad($len,3,'0',STR_PAD_LEFT); // 零填充确保长度
    
    // 拼接长度、加密的对称密钥和消息
    $message = $len.$sym_key.$ciphertext;
    return $message;
}

解密函数

function decrypt_message($message,$asym_key)
{
    $rsa = new Crypt_RSA();
    $rij = new Crypt_Rijndael();
    
    // 提取对称密钥
    $len = substr($message,0,3);
    $len = hexdec($len);
    $sym_key = substr($message,0,$len);
    
    // 提取加密消息
    $message = substr($message,3);
    $ciphertext = substr($message,$len);
    $ciphertext = base64_decode($ciphertext);
    
    // 解密加密的对称密钥
    $rsa->loadKey($asym_key);
    $sym_key = base64_decode($sym_key);
    $sym_key = $rsa->decrypt($sym_key);
    
    // 解密消息
    $rij->setKey($sym_key);
    $plaintext = $rij->decrypt($ciphertext);
    return $plaintext;
}

结论

随着程序和网络服务互联性增强，远程进程间的安全数据传输应成为常态。非对称密钥可安全传输更受青睐，但消息大小受限。混合使用对称和非对称算法可解决这两大局限。

PHP 安全通信库提供便捷的纯 PHP 实现方案，支持行业标准对称和非对称算法，使我们能在 PHP 中创建混合解决方案。

本文源代码位于 GitHub：https://github.com/sitepoint-editors/sitepointcrypto

常见问题解答

对称加密和非对称加密的主要区别？

对称加密：使用相同密钥加密解密，需共享密钥存在安全风险
非对称加密：使用公钥加密、私钥解密，公钥可自由分发，私钥保密

phpseclib 如何处理大消息？

使用 “RSA with OAEP padding” 技术：将大消息分块加密后组合，支持任意大小消息

phpseclib 支持哪些算法？

支持 RSA、DES、AES 等对称/非对称算法，以及 SSH、X.509 证书等加密操作

如何选择非对称密钥长度？

2048 位密钥通常平衡安全性与性能，安全要求更高可选更长密钥

如何保证私钥安全？

私钥需存储于安全位置，使用强密码保护并严格限制访问权限

技术参考：
[1] 密钥长度 - 维基百科
[2] RSA vs DSA 对比
[3] NIST 加密标准演进
[4] RSA 明文长度限制原理