X-Git-Url: https://bilbo.iut-bm.univ-fcomte.fr/and/gitweb/modelisationMathS3.git/blobdiff_plain/69c903a978a2ef5a25298c9ae3920be0d8c62e95..refs/heads/master:/rsa.tex diff --git a/rsa.tex b/rsa.tex index cb11f3f..eee81e5 100644 --- a/rsa.tex +++ b/rsa.tex @@ -55,71 +55,7 @@ Il s'inspire largement de~\cite{RSA09} -\section{L'algorithme RSA} - -\subsection{Les étapes détaillées de l'algorithme} - -On rappelle qu'un système cryptographique à clé publique est -initialisé par le receveur, c.-à-d. celui qui veut recevoir des messages de -manière sure. - -\paragraph{Première étape: choix des deux nombres $p$ et $q$.} -Le receveur choisit deux grands nombres premiers -$p$ et $q$ et calcule $n = pq$. Puis il calcule $\varphi(n)$, -où $\varphi : \N^* \rightarrow \N^* $ est la \emph{fonction d'Euler} -définie par $\varphi(n)$ est le nombre d'entiers dans $\{1, 2, \dots , n -1 \}$ -qui sont premiers avec $n$. -\paragraph{Deuxième étape: choix de la clé publique.} -Le receveur choisit $e \in -\{1, \dots , n-1\}$ premier avec $\varphi(n)$. -La clé publique est la paire $(e,n)$. L'expéditeur -va s'en servir pour crypter son message à la quatrième étape ci-dessous. -\paragraph{Troisième étape: construction de la clé privée.} -Le receveur calcule l'entier $d \in \{1,\dots, n-1\}$ -tel que le reste de la division de $ed$ par $\varphi(n)$ est 1. -Ceci se note aussi $ed \equiv 1 [\varphi(n)]$ qui se lie $ed$ est congru -à 1 modulo $\varphi(n)$. -La paire $(d,n)$ est la clé privée de décryptage. Elle -est secrète et permet au receveur de décrypter tous les messages reçus -et cryptés avec $(e,n)$. -\paragraph{Quatrième étape: cryptage du message.} -L’expéditeur peut crypter tout message écrit sous la forme -d'un nombre $m$ appartenant à $\{1, \dots , n-1\}$ et qui est -premier avec $n$. -Le message codé est le reste $a$ de la division de $m^e$ par $n$. -On a donc $m^e \equiv a [n]$, où $a \in \{1, \dots , n - 1\}$. -\paragraph{Cinquième étape: décryptage du message.} -Le receveur dispose de $a$ et de sa clé privée $(d,n)$. -Pour décrypter $a$, il calcule le reste dans la division par $n$ -de $a^d$ (c.-à-d. $a^d [n]$). -Si aucune erreur de calcul n'a été effectuée, c'est le message initial $m$. - - -\subsection{Sur un exemple très petit} -Le receveur choisit $p=7$, $q=13$. -\begin{enumerate} -\item Construire l'ensemble des entiers qui sont premiers avec $n=pq$ - et en déduire que $\varphi(91)=72$. -\item Montrer que $(29,91)$ est un candidat acceptable de clé publique. -\item Trouver la clé privée associée. -\item Montrer que l'expéditeur a la possibilité de crypter le message $m=59$. -\item Construire le message crypté $a$ à l'aide de la clé publique. -\item Décrypter - le message $a$ à l'aide de la clé privée. Il doit s'agir de $m$. -\end{enumerate} - - -\subsection{Les points clés} -L'algorithme RSA repose sur plusieurs points clés rencontrés successivement: -\begin{itemize} -\item la génération de deux grands nombres premiers $p$ et $q$ ; -\item la multiplication de grands nombres : $pq$, $ed$, -\item l'arithmétique modulaire; -\item l'algorithme d'Euclide de génération de PGCD et son corollaire de Bézout; -\item la factorisation, qui tant qu'elle n'est pas réalisable sur des grands nombres, garantit la sécurité du cryptage des données. -\end{itemize} - -\section{Rappels d'arithmétique} +\section{Rappels d'arithmétique jusqu'au PGCD} Soit deux entiers $a$ et $b$ dans $\Z$. On dit que $a$ divise $b$ (que l'on note $a | b$) @@ -132,7 +68,13 @@ $a$ et $b$, noté $a\land b$ est l'entier naturel qui vérifie \item Si $d | a$ et $d | b$, alors $d | a\land b$. \end{itemize} -\subsection{Algorithme d'Euclide de calcul de PGCD} + +\begin{Exo} +Déterminer $550 \land 1540$. +\end{Exo} + + +%\subsection{Algorithme d'Euclide de calcul de PGCD} Par définition, le PGCD de $a$ non nul avec 0 est $a$ (définition raisonnable, car 0 @@ -178,7 +120,6 @@ Donner le code d'un programme qui prend en entrée deux entiers naturels $a$ et $b$ tels que $a>b \ge 0$ et qui retourne leur PGCD \end{Exo} -\subsection{Les incontournables Bézout et Gau{\ss}} \begin{Prop}[Identite de Bézout] On considère deux nombres entiers strictement positifs $a$ et $b$. @@ -205,15 +146,25 @@ On sait que $a\land b$ est $r_n$ le dernier reste non nul. On remonte les équations une à une en démarrant de (\ref{eq:def:rnm2}). \begin{eqnarray} r_{n} & = & r_{n-2} - r_{n-1} \times q_{n} \nonumber \\ - & = & r_{n-2} - (r_{n-3} - r_{n-2} \times q_{n-1}) \times q_{n} (\textrm{on remplace $r_{n-1}$ par sa def dans (\ref{eq:def:rnm3})}) \nonumber\\ - & = & r_{n-2}. (1 + q_{n-1}. q_{n}) - r_{n-3}. q_{n} (\textrm{factorisation})\nonumber \\ - & = & (r_{n-4} - r_{n-3} \times q_{n-2}). (1 + q_{n-1}. q_{n}) - r_{n-3}. q_{n}(\textrm{on remplace $r_{n-2}$ par sa def dans (\ref{eq:def:rnm4})}) \nonumber \\ + & = & r_{n-2} - (r_{n-3} - r_{n-2} \times q_{n-1}) \times q_{n} \textrm{ (on remplace $r_{n-1}$ par son expression tirée de (\ref{eq:def:rnm3})}) \nonumber\\ + & = & r_{n-2}. (1 + q_{n-1}. q_{n}) - r_{n-3}. q_{n} \textrm{ (factorisation)}\nonumber \\ + & = & (r_{n-4} - r_{n-3} \times q_{n-2}). (1 + q_{n-1}. q_{n}) - r_{n-3}. q_{n}\textrm{ (on remplace $r_{n-2}$ par son expression tirée de (\ref{eq:def:rnm4})}) \nonumber \\ & \vdots & \nonumber \\ -& = & \ldots (\textrm{on remplace $r_{1}$ par sa def dans (\ref{eq:def:r1})}) \nonumber\\ +& = & \ldots \textrm{ (on remplace $r_{1}$ par son expression tirée de (\ref{eq:def:r1})}) \nonumber\\ & = &ax + by \nonumber \end{eqnarray} \end{Proof} +\begin{Exo} +Montrer qu'il existe $x$ et $y$ tels que +$29x + 72y=1$ puis trouver une valeur pour $x$ et $y$. +\end{Exo} + + +\begin{Exo} +Montrer que les propriétés $ a \land m = 1 $ +et $ b \land m = 1 $ impliquent $ ab \land m = 1 $. +\end{Exo} \begin{Def}[Nombres premiers entre eux] @@ -221,8 +172,109 @@ Les deux entiers relatifs $a$ et $b$ sont premiers entre eux si leur plus grand commun diviseur est égal à 1. \end{Def} +\begin{Exo} +Montrer que 55 et 21 sont premiers entre eux. +\end{Exo} + + + + + +\section{L'algorithme RSA} + +\subsection{Les étapes détaillées de l'algorithme} + +On rappelle qu'un système cryptographique à clé publique est +initialisé par le receveur, c.-à-d. celui qui veut recevoir des messages de +manière sure. + +\paragraph{Première étape: choix des deux nombres $p$ et $q$.} +Le receveur choisit deux grands nombres premiers +$p$ et $q$ et calcule $n = pq$. Puis il calcule $\varphi(n)$, +où $\varphi : \N^* \rightarrow \N^* $ est la \emph{fonction d'Euler} +L'entier $\varphi(n)$ est le nombre d'entiers +dans $\{1, 2, \dots , n -1 \}$ qui sont premiers avec $n$. + +\begin{Exo} +Le receveur choisit $p=7$, $q=13$. +Construire l'ensemble des entiers qui sont premiers avec $n=pq$ +et en déduire que $\varphi(91)=72$. +\end{Exo} + + +\paragraph{Deuxième étape: choix de la clé publique.} +Le receveur choisit $e \in +\{1, \dots , n-1\}$ premier avec $\varphi(n)$. +La clé publique est la paire $(e,n)$. +Chaque expéditeur +va s'en servir pour crypter son message à destination de ce receveur. +Le cryptage est détaillé + à la quatrième étape ci-dessous. + +\begin{Exo} +Montrer que $(29,91)$ est un candidat acceptable de clé publique. +\end{Exo} + +\paragraph{Troisième étape: construction de la clé privée.} +Le receveur calcule l'entier $d \in \{1,\dots, n-1\}$ +tel que le reste de la division de $ed$ par $\varphi(n)$ est 1. +Ceci se note aussi $ed \equiv 1 [\varphi(n)]$ qui se lie $ed$ est congru +à 1 modulo $\varphi(n)$. +La paire $(d,n)$ est la clé privée de décryptage. +Elle est secrète et permet au receveur de décrypter tous les messages reçus +et cryptés avec $(e,n)$. + +\begin{Exo} + Trouver la clé privée associée. +\end{Exo} + + +\paragraph{Quatrième étape: cryptage du message.} +L’expéditeur peut crypter tout message écrit sous la forme +d'un nombre $m$ appartenant à $\{1, \dots , n-1\}$ et qui est +premier avec $n$. +Le message codé est le reste $a$ de la division de $m^e$ par $n$. +On a donc $m^e \equiv a [n]$, où $a \in \{1, \dots , n - 1\}$. + +\begin{Exo} +\begin{enumerate} +\item Montrer que l'expéditeur a la possibilité de crypter le message $m=59$. +\item Construire le message crypté $a$ à l'aide de la clé publique. +\end{enumerate} +\end{Exo} + +\paragraph{Cinquième étape: décryptage du message.} +Le receveur dispose de $a$ et de sa clé privée $(d,n)$. +Pour décrypter $a$, il calcule le reste dans la division par $n$ +de $a^d$ (c.-à-d. $a^d [n]$). +Si aucune erreur de calcul n'a été effectuée, c'est le message initial $m$. + + +\begin{Exo} +Décrypter + le message $a$ à l'aide de la clé privée. Il doit s'agir de $m$. +\end{Exo} + + +\subsection{Les points clés} +L'algorithme RSA repose sur plusieurs points clés rencontrés successivement: +\begin{itemize} +\item la génération de deux grands nombres premiers $p$ et $q$ ; +\item la multiplication de grands nombres : $pq$, $ed$, +\item l'arithmétique modulaire; +\item l'algorithme d'Euclide de génération de PGCD et son corollaire de Bézout; +\item la factorisation, qui tant qu'elle n'est pas réalisable sur des grands nombres, garantit la sécurité du cryptage des données. +\end{itemize} + + + +%\subsection{L'algorithme de RSA est correct} + +\section{Les incontournables théorèmes de Bézout et de + Gau{\ss}} + \begin{Prop}[Théorème de Bézout] Deux entiers strictement positifs $a$ et $b$ sont premiers entre eux, si et seulement s'il @@ -248,8 +300,9 @@ Si $a$ divise le produit $bc$ et s'il est premier avec $b$, alors il divise $c$. \end{Prop} + \begin{Exo} -Faire la preuve de ce théorème +Faire la preuve du théorème de Gau{\ss}. \end{Exo} \begin{Prop}[Fonction d'Euler] @@ -257,10 +310,10 @@ Si $p$ et $q$ sont deux nombres premiers distincts alors l'égalité suivante permet de trouver le valeur de la fonction d'Euler en un seul produit: \begin{equation} -\varphi(pq)=(p-1)(q-1) \label{FEuler} +\varphi(pq)=(p-1)(q-1). \label{FEuler} \end{equation} - \end{Prop} + \begin{Exo}[Preuve de l'expression d'Euler] On doit compter le cardinal des nombres de $\{1, 2, . . . , pq -1\}$ qui sont premiers avec $pq$. @@ -278,6 +331,9 @@ premiers avec $pq$. + + + %Refaire cet exo avec 27x +8y = 1 \begin{Exo} L'objectif est de résoudre l'équation $(E)$ $405x -120y =15$ @@ -294,46 +350,19 @@ d'inconnues $x$ et $y$. - -\begin{Exo}[Sujet du bac S Liban 2005] -On rappelle le résultat suivant appelé petit théorème de Fermat. - -\emph{Si $p$ est un nombre premier et $a$ un entier non divisible par $p$, - alors $a^{p-1}-1$ est un multiple de $p$.} -\begin{enumerate} -\item On considère l’équation $(E)$ : $109x-226y=1$ où $x$ et $y$ - sont des entiers relatifs. -\begin{enumerate} -\item Déterminer $109\land 226$. - Que peut-on en conclure pour l'équation $(E)$? -\item Montrer que l'ensemble des solutions de $(E)$ - est l'ensemble des couples de la forme - $(141+226k ;68+109k)$, où $k$ appartient à $\Z$. - En déduire qu'il existe un unique entier naturel non nul $d$ - inférieur ou égal à 226 et un unique entier naturel non nul $e$ tels que - $109d =1+226 e$ (on précisera les valeurs des entiers $d$ et $e$). -\end{enumerate} -\item Démontrer que 227 est un nombre premier. -\item On note $A=\{0,1,2,\dots,226\}$. On considère les deux fonctions - $f$ et $g$ de $A$ dans $A$ définies de la manière suivante: -\begin{itemize} -\item A tout entier $a\in A$, $f$ associe le reste de - la division euclidienne de $a^{109}$ par 227. -\item A tout entier $a\in A$, $g$ associe le reste de la - division euclidienne de $a^{141}$ par 227. -\end{itemize} +\begin{Exo} + Soit $p$ un nombre premier. \begin{enumerate} -\item Vérifier que $g(f(0))=0$ . -\item Montrer que, quel que soit l'entier non nul $a$ de $A$ , $a^{226}-1$ est multiple de 227. -\item En déduire que, quel que soit l'entier non nul $a$ de $A$, -$g(f(a))=a$ . Que peut-on dire de $f(g(a))=a$? -\end{enumerate} +\item Calculer $\varphi(p^2)$. +\item Est-ce que RSA fonctionnerait aussi avec l'entier $n = p^2$ à la place de $n=pq$? \end{enumerate} \end{Exo} -\section{Arithmétique modulaire} + + +\section{Congruence modulo} \begin{Def}[Congruence modulo] Soit $a$ et $b$ deux entiers relatifs. @@ -359,7 +388,7 @@ Démontrer la proposition précédente. \end{Exo} \begin{Prop} -Soit deux entiers naturels $a$ et $n$ tels que $a< n$. +Soit deux entiers naturels $a$ et $n$ tels que $1< a< n$. Si $a$ et $n$ sont premier entre eux, alors il existe un unique $x \in \{1, \dots, n-1\}$ tel que $ax \equiv 1[n]$. @@ -369,22 +398,64 @@ que $ax \equiv 1[n]$. \begin{itemize} \item[\textbf{Existence.}] Comme $a$ et $n$ sont premiers entre eux, d'après le théorème de Bézout, -il exite $x$ et $y$ entiers tels que +il existe $x$ et $y$ entiers tels que $ax+ny = 1$, soit encore $ax \equiv 1[n]$. +\item [\textbf{Unicité.}] +Supposons qu'il existe une seconde solution $x'\in \{1, \dots, n-1\}$ telle que +$ax' \equiv 1[n]$. Donc $a(x-x') \equiv 0[n]$. Or $n$ est premier avec $a$. +D'après le théorème de Gau{\ss}, $n$ divise donc $x-x'$. +Or $x-x'\in \{-n+2,-n+3,\dots,-1,0,1, \dots, n-2\}$. Le seul nombre divisible par $n$ est 0 et donc $x=x'$. \end{itemize} \end{Proof} +\begin{Exp} +Trouvons les nombres $x$ tels que $7x+11$ soit multiple de 36. Dit autrement, +résoudre l'équation $7x \equiv -11 [36]$. + +On cherche un \og inverse \fg{} de 7 c.-à-d. un nombre $t$, $1 < t < 35$ +tel que $7t \equiv 1 [36]$. +Soit à résoudre $7t \equiv 1 [36]$ qui revient à trouver $t$ et $u$ tels +que $7t -36u = 1$, soit encore les coefficient de Bézout relatifs à +(7 et 36). On trouve successivement +\begin{eqnarray*} +36 & = & 7 \times 5 +1 \\ +7 & = & 7 \times 1 + 0 \\ +& \textrm{et donc}&\\ +1 & = & 36 - 7 \times 5 +\end{eqnarray*} +et donc $t = -5$ (et $u=-1$). +On en déduit $7x \equiv -11 [36]$ est équivalent à +$(-5).7x \equiv (-5).-11 [36]$ soit encore +$x \equiv 55 [36] \equiv 19 [36]$. +\end{Exp} + +\begin{Exo} +Trouver les entiers relatif $x$ tels que +$261x +2$ soit multiple de 305. +\end{Exo} + + \begin{Exo} \begin{enumerate} -\item Démonter que $35 \equiv 1 [11]$ +\item Démonter que $3^5 \equiv 1 [11]$ \item En déduire que pour tous entiers naturels $k$ et $r$ on a - $35k +r \equiv 3r [11]$. + $3^{5k +r} \equiv 3^r [11]$. \item $n$ étant un entier naturel, quels sont les restes possibles dans la division de $3^n$ par 11? -\item Trouvez pour quelles valeurs de $n$, $3n + 7$ est divisible par 11 +\item Trouvez pour quelles valeurs de $n$, $3^n + 7$ est divisible par 11. \end{enumerate} \end{Exo} +\begin{Exo} +Soit $p$ un nombre premier tel que $p \equiv 3 [4]$. +Soit $a$ un entier qui est un carré, modulo $p$: +il existe $b$ tel que $a \equiv b^2 [p]$. +Montrer que +$a^{(p+1)/4}$ est une racine carré de $a$, modulo $p$. +\end{Exo} + + + \begin{Exo} On se place dans le contexte de cryptographie par RSA. Démontrer que si la clé d'encryptage est $e < \varphi(n)$, alors @@ -392,7 +463,8 @@ il existe une unique clé de décodage entre 1 et $\varphi(n)$. \end{Exo} \begin{Prop}[Théorème d'Euler]\label{th:Euler} - Si $mq$. On definit $t = \frac{p+q}{2}$ et $s = \frac{p−q}{2}$. +On considère que l'étape 1 de l'algorithme RSA a généré deux nombre premiers $p$ et $q$ proches tels que $p>q$. On définit $t = \frac{p+q}{2}$ et $s = \frac{p-q}{2}$. Montrer que \begin{enumerate} -\item le produit $n = pq = t^2 − s^2$; +\item le produit $n = pq = t^2 - s^2$; \item l'entier $t$ est légèrement supérieur à la racine carrée de $n$ et que $s $ est petit; -\item l'on peut utiliser ces informations pour factoriser $n$ c.-à-d. retrouver $p$ et $q$. -\item Factoriser 9623827 et 343570291, % res=2953*3259 res = 17729*19379 +\item l'on peut utiliser ces informations pour factoriser $n$ c.-à-d. retrouver $p$ et $q$; +\item Factoriser 896861 et 318040531. % res=2953*3037 res = 17729*17939 +\item Factoriser 9623827 et 343570291. % res=(3259, 2953) res = (19379, 17729) \end{enumerate} \end{Exo} -\section{Conclusion} -cf SMATH paragraphe applications p 223. \ No newline at end of file +\begin{TP} +L'objectif de ce TP est d'implanter toute la démarche RSA +avec les éléments vus en TD. +% Tout ceci est à synthétiser dans un document +% libreoffice à renvoyer à l'adresse \url{couchot@femto-st.fr} avec pour sujet +% RSA-NOM1-NOM2-TDX. +\begin{enumerate} +\item Quel est le plus petit nombre à trois chiffres? + Quel est le plus grand nombre à trois chiffres? + Comment générer aléatoirement un nombre qui a trois chiffres en utilisant + \verb+randint+? +\item Même question que la question précédente, en remplaçant \og trois\fg{} + par $M$. +\item On a vu qu'un nombre se terminant par 0,2,4,5,6,8 n'est jamais premier. + Comment générer un nombre qui a $N$ chiffres, dont le dernier chiffre + n'est pas dans la liste précédente. +\item Pour affirmer qu'un nombre de 100 chiffres + est premier, on invoquera le test de Miller-Rabin avec 50 + valeurs testées différentes $a$. Si toutes retournent qu'il est + probablement premier, on considérera qu'il l'est. + Construire la fonction \verb+genereUnNombrePremier(N)+ qui retourne + un nombre probablement premier selon cette méthode. + %Copier-coller cette fonction dans votre synthèse. +\item A l'aide de l'agorithme précédent, générer deux nombres premiers + $p$ et $q$ de 100 chiffres. + %Copier et coller ces deux nombres dans votre synthèse. + Calculer $n=pq$ puis \verb+phi+ telle + que \verb+phi=(p-1)*(q-1)+. + +\item Contruire la partie $e$ de la clé publique $(e,n)$ + comme un nombre premier de trente chiffres par exemple. + Si elle est première avec \verb+phi+, c'est une bonne clé, sinon on + regénere un nombre premier de trente chiffres. + %Copier et coller $e$ dans votre synthèse. + +\item Donner le code la fonction \verb+bezout(+$a$,$b$\verb+)+ +qui retourne $x$ et $y$ tels que $x.a + y.b = a \land b$. + +% \begin{verbatim} +% def bezout(a,b): +% if b==0: return [1,0] +% else: +% uv= bezout(b,a%b) +% return [uv[1],uv[0]-uv[1]*(a/b)] +% \end{verbatim} + +Se servir de cette fonction pour générer la partie $d$ de +la clé privée $(d,n)$. Attention, faire en sorte que $0 \le d \le$\verb+phi+. +%Copier-coller les instructions permettant d'obtenir $d$. +%Copier-coller la valeur de $d$. + +\item Chiffrer à l'aide de la clé publique $(e,n)$ + le message $m=3402752281514000316845$ + qui est un numéro de carte bancaire comprenant les 16 chiffres, + la date de validité et le code de sécurité. Le mesage chiffré est $a$. + %Copier-coller l'instructions permettant d'obtenir $a$. + %Copier-coller la valeur de $a$. + + +\item Déchiffrer $a$ à l'aide de la clé privée. + Vérifier que vous obtenez bien $m$ à nouveau. + %Copier-coller l'instructions permettant de déchiffrer $a$. +\end{enumerate} + + + +\end{TP} + + + +% \section{Conclusion} +% cf SMATH paragraphe applications p 223. \ No newline at end of file