Python3: RSA 非对称加密 - 秘钥对生成，加密/解密，签名/验签

桃扇骨 2021-09-21 23:12 864阅读 0赞

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[Python3 学习笔记（目录）][Python3]

# 1. pycryptodome/Crypto 模块 #

`pycryptodome`模块文档: [https://pycryptodome.readthedocs.io/en/latest/][https_pycryptodome.readthedocs.io_en_latest]

使用第三方模块`pycryptodome`中的`Crypto.PublicKey.RSA`实现 RSA 秘钥对生成、加密/解密、签名/验签。

安装`pycryptodome`模块:

pip3 install pycryptodome

## 1.1 生成 RSA 秘钥对 ##

生成一对 RSA 密钥（公钥、私钥），并保持到文件:

from Crypto.PublicKey import RSA
    
    
    # 生成一对长度为 2048 位的 RSA 秘钥对, 使用默认的随机数生成函数,
    # 也可以手动指定一个随机数生成函数: randfunc=Crypto.Random.new().read
    rsa_key = RSA.generate(2048)
    print(rsa_key)                      # Private RSA key at 0x7FB241173748
    print(type(rsa_key))                # <class 'Crypto.PublicKey.RSA.RsaKey'>
    
    
    # 导出公钥, "PEM" 表示使用文本编码输出, 返回的是 bytes 类型, 格式如下:
    # b'-----BEGIN PUBLIC KEY-----\n{Base64Text}\n-----END PUBLIC KEY-----'
    # 输出格式可选: "PEM", "DER", "OpenSSH"
    pub_key = rsa_key.publickey().export_key("PEM")
    
    # 导出私钥, "PEM" 表示使用文本编码输出, 返回的是 bytes 类型, 格式如下:
    # b'-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----\n{Base64Text}\n-----END RSA PRIVATE KEY-----'
    pri_key = rsa_key.export_key("PEM")
    
    
    # 转换为文本打印输出公钥和私钥
    print(pub_key.decode())
    print(pri_key.decode())
    
    
    # 把公钥和私钥保存到文件
    with open("pub.pem", "wb") as pub_fp:
        pub_fp.write(pub_key)
    
    with open("pri.pem", "wb") as pri_fp:
        pri_fp.write(pri_key)

## 1.2 RSA 非对称加密/解密（公钥加密、私钥解密） ##

from Crypto.PublicKey import RSA
    from Crypto.Cipher import PKCS1_v1_5
    
    
    """ 1. 生成秘钥对, 创建 公钥/私钥 对象 """
    
    # 生成一对长度为 2048 位的 RSA 秘钥对
    rsa_key = RSA.generate(2048)
    
    # 从秘钥对中获取 公钥 对象, 返回类型为: <class 'Crypto.PublicKey.RSA.RsaKey'>
    pub_key = rsa_key.publickey()
    
    # 秘钥对本身就是 私钥 对象, 类型为: <class 'Crypto.PublicKey.RSA.RsaKey'>
    pri_key = rsa_key
    
    
    """ 2. 创建密码器, 加密/解密 """
    
    # 创建 公钥 密码器, 返回类型为: <class 'Crypto.Cipher.PKCS1_v1_5.PKCS115_Cipher'>
    pub_cipher = PKCS1_v1_5.new(pub_key)
    # 加密内容(bytes), 返回加密后的密文（bytes类型）
    ciphertext = pub_cipher.encrypt("Hello World".encode())
    
    
    # 创建 私钥 密码器, 返回类型为: <class 'Crypto.Cipher.PKCS1_v1_5.PKCS115_Cipher'>
    pri_cipher = PKCS1_v1_5.new(pri_key)
    # 解密密文(bytes), 返回解密后的明文（bytes类型）
    plaintext = pri_cipher.decrypt(ciphertext, sentinel=None)
    
    
    """ 3. 查看结果 """
    
    # 输出解密后的明文, 结果为: "Hello World"
    print(plaintext.decode())

## 1.3 读取 RAS 秘钥对并进行非对称加密/解密 ##

from Crypto.PublicKey import RSA
    from Crypto.Cipher import PKCS1_v1_5
    
    
    """ 1. 读取 秘钥对, 创建 公钥/私钥 对象 """
    
    # 从 PEM 格式的 公钥 文件中读取数据
    with open("pub.pem", "rb") as f:
        pub_bytes = f.read()
    # 导入读取到的公钥数据, 生成 公钥对象, 返回类型为: <class 'Crypto.PublicKey.RSA.RsaKey'>
    pub_key = RSA.import_key(pub_bytes)
    
    
    # 从 PEM 格式的 私钥 文件中读取数据
    with open("pri.pem", "rb") as f:
        pri_bytes = f.read()
    # 导入读取到的私钥数据, 生成 私钥对象, 返回类型为: <class 'Crypto.PublicKey.RSA.RsaKey'>
    pri_key = RSA.import_key(pri_bytes)
    
    
    # 私钥中包含了公钥, 公钥也可以从私钥中获取（PS: 公钥中不包含私钥）
    # pub_key = pri_key.publickey()
    
    
    """ 2. 创建密码器, 加密/解密 """
    
    # 创建 公钥 密码器, 返回类型为: <class 'Crypto.Cipher.PKCS1_v1_5.PKCS115_Cipher'>
    pub_cipher = PKCS1_v1_5.new(pub_key)
    # 加密内容(bytes), 返回加密后的密文（bytes类型）
    ciphertext = pub_cipher.encrypt("Hello World".encode())
    
    
    # 创建 私钥 密码器, 返回类型为: <class 'Crypto.Cipher.PKCS1_v1_5.PKCS115_Cipher'>
    pri_cipher = PKCS1_v1_5.new(pri_key)
    # 解密密文(bytes), 返回解密后的明文（bytes类型）
    plaintext = pri_cipher.decrypt(ciphertext, sentinel=None)
    
    
    """ 3. 查看结果 """
    
    # 输出解密后的明文, 结果为: "Hello World"
    print(plaintext.decode())

## 1.4 RSA 秘钥对的签名/验签（私钥签名、公钥验签） ##

import Crypto.PublicKey.RSA
    import Crypto.Signature.PKCS1_v1_5
    import Crypto.Hash.SHA256
    
    
    """ 1. 生成秘钥对, 创建 公钥/私钥 对象 """
    
    # 生成一对长度为 2048 位的 RSA 秘钥对
    rsa_key = Crypto.PublicKey.RSA.generate(2048)
    
    # 从秘钥对中获取 公钥 对象, 返回类型为: <class 'Crypto.PublicKey.RSA.RsaKey'>
    pub_key = rsa_key.publickey()
    
    # 秘钥对本身就是 私钥 对象, 类型为: <class 'Crypto.PublicKey.RSA.RsaKey'>
    pri_key = rsa_key
    
    
    """ 2. 数据内容 """
    
    # 要签名的数据内容（bytes类型）
    data_content = "Hello World".encode()
    
    
    """ 3. 创建 私钥 签名工具: 签名 """
    
    # 创建 私钥 签名工具, 返回类型为: <class 'Crypto.Signature.pkcs1_15.PKCS115_SigScheme'>
    pri_signer = Crypto.Signature.PKCS1_v1_5.new(pri_key)
    
    # 创建 Hash 对象（使用 SHA256 算法）, 返回类型为: <class 'Crypto.Hash.SHA256.SHA256Hash'>
    msg_hash = Crypto.Hash.SHA256.new()
    # 对 数据内容 进行 Hash
    msg_hash.update(data_content)
    
    # 使用 私钥 签名工具 对 数据 进行签名, 返回签名结果（bytes类型）
    signature_result = pri_signer.sign(msg_hash)
    
    
    """ 4. 创建 公钥 验签工具: 验签 """
    
    # 创建 公钥 验签工具, 返回类型为: <class 'Crypto.Signature.pkcs1_15.PKCS115_SigScheme'>
    pub_signer = Crypto.Signature.PKCS1_v1_5.new(pub_key)
    
    # 创建 Hash 对象（使用 SHA256 算法）, 返回类型为: <class 'Crypto.Hash.SHA256.SHA256Hash'>
    msg_hash = Crypto.Hash.SHA256.new()
    # 对 数据内容 进行 Hash
    msg_hash.update(data_content)
    
    # 使用公钥 验签工具 对 数据和签名 进行验签, 返回 True/False
    verify = pub_signer.verify(msg_hash, signature_result)
    
    # 校验结果为 True 表示通过验签
    print(verify)
    
    
    # 验签: 
    # 验证「数据」、「签名」、「公钥」 三个可公开的数据是否匹配。
    # 如果匹配，说明该「签名」是该「公钥」对应的「私钥」对该「数据」进行的正确签名；
    # 如果不匹配，说明可能该「数据」被篡改。
    # 如此可以用来验证公开发布的「数据」是否是官方（即「私钥」）发布的。

# 2. rsa 模块 #

第三方模块`rsa`以工具方法的形式实现 RSA 秘钥对生成、加密/解密、签名/验签。

安装`rsa`模块:

pip3 install rsa

ras模块中的主要函数:

# 生成秘钥对, 返回元祖: (公钥, 私钥)
    pub_key, pri_key = rsa.newkeys(2048, ...)
    
    # 保存密钥
    pub_key.save_pkcs1(...)
    pri_key.save_pkcs1(...)
    
    # 读取密钥
    rsa.PublicKey.load_pkcs1(...)
    rsa.PrivateKey.load_pkcs1(...)
    
    # 加密/解密
    rsa.encrypt(...)
    rsa.decrypt(...)
    
    # 签名/验签
    rsa.sign(...)
    rsa.verify(...)

## 2.1 生成 RSA 秘钥对 ##

生成一对 RSA 密钥（公钥、私钥），并保持到文件:

import rsa
    
    # 生成长度为 2048 位的 RSA 秘钥对, 返回一个元祖: (公钥, 私钥)
    pub_key, pri_key = rsa.newkeys(2048)
    
    
    # 公钥对象类型为: <class 'rsa.key.PublicKey'>
    print(type(pub_key))
    # 私钥对象类型为: <class 'rsa.key.PrivateKey'>
    print(type(pri_key))
    
    
    # 把公钥和私钥保存到文件
    with open("pub.pem", "wb") as pub_fp:
        # 保存为 PEM 格式, format = "PEM" 或 "DER"
        key_content = pub_key.save_pkcs1(format="PEM")
        pub_fp.write(key_content)
    
    with open("pri.pem", "wb") as pri_fp:
        key_content = pri_key.save_pkcs1(format="PEM")
        pri_fp.write(key_content)

## 2.2 RSA 非对称加密/解密（公钥加密、私钥解密） ##

import rsa
    
    # 生成长度为 2048 位的 RSA 秘钥对, 返回一个元祖: (公钥, 私钥)
    pub_key, pri_key = rsa.newkeys(2048)
    
    # 加密: 第一个参数为加密内容(bytes), 第二个参数为公钥, 返回加密后的密文(bytes)
    ciphertext = rsa.encrypt(message="Hello World".encode(), pub_key=pub_key)
    
    # 解密: 第一个参数是密文(bytes), 第二个参数为私钥, 返回解密后的明文(bytes)
    plaintext = rsa.decrypt(crypto=ciphertext, priv_key=pri_key)
    
    # 解密后的明文为原文: "Hello World"
    print(plaintext.decode())

## 2.3 读取 RAS 秘钥对并进行非对称加密/解密 ##

import rsa
    
    
    # 从 PEM 格式公钥文件中读取公钥
    with open("pub.pem", "rb") as f:
        pub_key = rsa.PublicKey.load_pkcs1(f.read(), format="PEM")
    # 从 PEM 格式私钥文件中读取私钥
    with open("pri.pem", "rb") as f:
        pri_key = rsa.PrivateKey.load_pkcs1(f.read(), format="PEM")
    
    
    # 公钥对象类型为: <class 'rsa.key.PublicKey'>
    print(type(pub_key))
    # 私钥对象类型为: <class 'rsa.key.PrivateKey'>
    print(type(pri_key))
    
    
    # 加密: 第一个参数为加密内容(bytes), 第二个参数为公钥, 返回加密后的密文(bytes)
    ciphertext = rsa.encrypt(message="Hello World".encode(), pub_key=pub_key)
    # 解密: 第一个参数是密文(bytes), 第二个参数为私钥, 返回解密后的明文(bytes)
    plaintext = rsa.decrypt(crypto=ciphertext, priv_key=pri_key)
    
    # 解密后的明文为原文: "Hello World"
    print(plaintext.decode())

## 2.4 RSA 秘钥对的签名/验签（私钥签名、公钥验签） ##

import rsa
    
    # 生成长度为 2048 位的 RSA 秘钥对, 返回一个元祖: (公钥, 私钥)
    pub_key, pri_key = rsa.newkeys(2048)
    
    # 需要签名/验签的内容
    content = "Hello World".encode()
    
    # 签名:
    # 第一个参数为签名的内容(bytes), 第二个参数为私钥, 第三个参数为使用的HASH算法。
    # 返回签名结果(bytes)
    sign = rsa.sign(message=content, priv_key=pri_key, hash_method="SHA-256")
    
    # 验签:
    # 第一个参数为验签的内容(bytes), 第二个参数为签名(bytes), 第三个参数为公钥。
    # 验签通过, 返回签名算法名称(str); 验签失败, 抛出异常。
    verify = rsa.verify(message=content, signature=sign, pub_key=pub_key)
    
    # 结果为: "SHA-256"
    print(verify)

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[Python3]: https://blog.csdn.net/xietansheng/article/details/109266600
[https_pycryptodome.readthedocs.io_en_latest]: https://pycryptodome.readthedocs.io/en/latest/