【图解DSA数字签名算法】DSA签名算法的Python实现 | 物联网安全 | 信息安全

系列索引：【图解安全加密算法】加密算法系列索引 Python保姆级实现教程 | 物联网安全 | 信息安全

DSA数字签名算法基于SHA1哈希算法，关于SHA1的实现看另一篇文章。

一、什么是DSA

数字签名标准(DSS)由NIST公布，该标准能够使接收者能够验证数据的完整性和数据发送者的身份而制定，所采用的算法称为DSA算法，也称为DSA签名。

二、DSA签名算法流程

DSA签名涉及四个参数，p,q,g,y和x，中前四者构成公钥，x为私钥（x

依据DSS标准，p为512~1024位，q是160位长的素数，且q|p-1；g=h(p-1)/q mod p，其中h是一整数，11；H(m)为参与签名的杂凑值，DSS选用SHA杂凑算法

（1）DSA 签名过程：

  用户随机选取k要求0

（2）DSA验证过程：

 接收者收到M,r,s后，首先验证0

如果v=r，则确认签名正确

三、具体实现过程（附代码）

我们实验要求参数可以设置成较小的，方便计算，如果大家严格按照算法参数要求设置需要改动。

（1）参数设置

算法的一些参数可以看要求设置成随机数，符合大小要求即可，我这里直接使用固定值先进行计算。
参数：
P、Q、H：人员输入，P要求是素数，512-1024位且位数L为64的倍数，Q为p-1的素因数比特长度160位，H是一个整数且11
X：（私钥）随机或伪随机整数，0 K：随机数，0

pqh = input("请输入P,Q,H的值：\n").split()
p, q, h = int(pqh[0]), int(pqh[1]), int(pqh[2])

g = int((h**(int((p-1)/q))) % p)

k = 50
x = 75
y = int(g**x % p)

print(f"P:{p},Q:{q},G:{g},x:{x},y:{y}")

（2）乘法逆元

乘法逆元：若存在正整数a,b,p, 满足ab = 1(mod p), 则称a 是b 的乘法逆元, 或称b 是a 的乘法逆元。

def EX_GCD(a, b, arr):  # 扩展欧几里得
    if b == 0:
        arr[0] = 1
        arr[1] = 0
        return a
    g = EX_GCD(b, a % b, arr)
    t = arr[0]
    arr[0] = arr[1]
    arr[1] = t - int(a / b) * arr[1]
    return g


def ModReverse(a, n):  # ax=1(mod n) 求a模n的乘法逆x
    arr = [0, 1, ]
    gcd = EX_GCD(a, n, arr)
    if gcd == 1:
        return (arr[0] % n + n) % n
    else:
        return -1

（3）签名

def sign(g, p, q, x, M):
    r = int((g**k % p) % q)
    s = int((ModReverse(k, q)*(M+x*r)) % q)
    print(f"签名为（{r}, {s}）")
    return r, s

（4）验证

def verify(g, p, q, y, M, r, s):
    w = int(ModReverse(s, q) % q)
    u1 = int((M*w) % q)
    u2 = int(r*w % q)
    v = int(((g**u1)*(y**u2) % p) % q)
    print(f"lc(w,u1,u2,v)=({w},{u1},{u2},{v})")
    if v == r:
        print("签名有效")
    else:
        print("签名无效")

四、跟着demo去debug

这里使用给出两组数据供大家调试，一组来源于课本，一组来源于网络。

（1）示例1：


（2）示例2：

五、完整代码

代码已补充，因为我们老师对参与运算的杂凑码要求只去前32位后右移八位参与运算，故代码中进行了处理，同时一些变量的取值可能不那么严谨，对于代码要求较高的大佬可以进行修改。代码未使用类进行封装，也是待完善的地方。

import random

A, B, C, D, E = 0x67452301, 0xEFCDAB89, 0x98BADCFE, 0x10325476, 0xC3D2E1F0  # 常量
K = [0x5A827999, 0x6ED9EBA1, 0x8F1BBCDC, 0xCA62C1D6]  # 常量

str = input("输入明文：\n").encode('utf-8')  # 这里对输入明文进行编码，str为bytes型
l = len(str)*8  # 每个字符8位
# python中二进制是字符串，不保留高位的0，这里使用zfill补高位0，如十进制6->110->0110，M这里是用了一个很长的字符串如:'11001010100011...'来表示原始数据
M = bin(int(str.hex(), 16))[2:].zfill(l)

# [可选项] 下面的函数仅仅显示输入明文的ascii，末尾为长度，该段显示的是补位后的
for i in range(64):
    if i < len(str):
        print(str[i], end=' ')
    elif i < len(str)+1:
        print('128', end=' ')
    elif i < 63:
        print('0', end=' ')
    else:
        print(l)

flag = 1  # 补1标志位，补一次1后置0
while len(M) % 512 != 448:
    if flag:
        M += '1'
        flag = 0
    else:
        M += '0'
M += "{:064b}".format(l)  # 末尾64位写入长度，空余补位补0
M = hex(int(M, 2))[2:]  # 这种转换会用到很多次，2进制转16进制，M现在是一个16进制字符串，如'1342a2c12...'
Mn = []  # 存储每个32位的字，因为M中一个字符4位（16进制），所以取M中的8个为一组，按要求将M分割成16个32位的字，故这里8*4=32，32*16=512
for i in range(16):
    Mn.append(M[8*i: 8*i+8])


def roll_left(num, k):
    """循环左移函数

    Parameters
    ----------
    num : int
        输入一个数字，2进制、10进制等均可
    k : int
        左移位数

    Returns
    -------
    int
        返回一个int结果
    """
    num_bin = bin(num)[2:].zfill(
        32)  # 因为python高位不会自动补0，导致要手动调整（也可能是我学艺不精），不然会忽略高位的0循环左移
    out = num_bin[k % len(num_bin):]+num_bin[:k % len(num_bin)]  # 注意预防溢出
    return int(out, 2)  # 二进制左移完成后转化成10进制输出


W = ['' for _ in range(80)]  # 存储80份扩展子明文
for i in range(80):
    if 16 <= i <= 79:
        # 16-79要进行异或运算，这里先转换成十进制（W中存的是16进制字符串，str无法运算）
        temp = int(W[i-3], 16) ^ int(W[i-8],
                                     16) ^ int(W[i-14], 16) ^ int(W[i-16], 16)

        W[i] = hex(roll_left(temp, 1))[2:].zfill(8)  # 循环左移1位
    else:
        W[i] = Mn[i]


def ft(b, c, d, t):
    """ft为逻辑函数

    Parameters
    ----------
    b : int
        B值
    c : int
        C值
    d : int
        D值
    t : int
        轮次

    Returns
    -------
    int
        运算结果
    """
    if t >= 0 and t <= 19:
        return ((b & c) | (~b & d))
    elif t >= 20 and t <= 39:
        return (b ^ c ^ d)
    elif t >= 40 and t <= 59:
        return ((b & c) | (b & d) | (d & c))
    elif t >= 60 and t <= 79:
        return (b ^ c ^ d)


Ap, Bp, Cp, Dp, Ep = A, B, C, D, E  # 暂存初始值
for t in range(80):
    tmp = B
    B = A
    A = ((((E + ft(tmp, C, D, t)) % (2**32)+roll_left(A, 5)) %
         (2**32)+int(W[t], 16)) % (2**32)+K[t//20]) % (2**32)  # 预防溢出进行取模运算
    E = D
    D = C
    C = roll_left(tmp, 30)

    #print(f" round{t+1} : {hex(A)} {hex(B)} {hex(C)} {hex(D)} {hex(E)}\n")
A, B, C, D, E = (Ap+A) % (2**32), (Bp+B) % (2**32), (Cp +
                                                     C) % (2**32), (Dp+D) % (2**32), (Ep+E) % (2**32)
# 相加运算，因为python不像c/c++可以使用unsigned char_32直接限制位数，因此要对位数进行限制
print("明文对应的杂凑码：\n", hex(A), hex(B), hex(C), hex(D), hex(E))

num_bin = bin(A)[2:].zfill(32)
out = '0'*8+num_bin[:-8 % len(num_bin)]
M = int(out, 2)

pqh = input("请输入P,Q,H的值：\n").split()
p, q, h = int(pqh[0]), int(pqh[1]), int(pqh[2])

g = int((h**(int((p-1)/q))) % p)

x = 75

y = int(g**x % p)
print(f"P:{p},Q:{q},G:{g},x:{x},y:{y}")

k = 50
print(f"用于签名的杂凑码为：{M}")


def EX_GCD(a, b, arr):  # 扩展欧几里得
    if b == 0:
        arr[0] = 1
        arr[1] = 0
        return a
    g = EX_GCD(b, a % b, arr)
    t = arr[0]
    arr[0] = arr[1]
    arr[1] = t - int(a / b) * arr[1]
    return g


def ModReverse(a, n):  # ax=1(mod n) 求a模n的乘法逆x
    arr = [0, 1, ]
    gcd = EX_GCD(a, n, arr)
    if gcd == 1:
        return (arr[0] % n + n) % n
    else:
        return -1


def sign(g, p, q, x, M):
    r = int((g**k % p) % q)
    s = int((ModReverse(k, q)*(M+x*r)) % q)
    print(f"签名为（{r}, {s}）")
    return r, s


def verify(g, p, q, y, M, r, s):
    w = int(ModReverse(s, q) % q)
    u1 = int((M*w) % q)
    u2 = int(r*w % q)
    v = int(((g**u1)*(y**u2) % p) % q)
    print(f"lc(w,u1,u2,v)=({w},{u1},{u2},{v})")
    if v == r:
        print("签名有效")
    else:
        print("签名无效")


r, s = sign(g, p, q, x, M)
verify(g, p, q, y, M, r, s)

图解安全加密算法系列持续更新，欢迎点赞收藏＋关注

上一篇：【图解AES加密算法】AES算法的Python实现 | Rijndael-128 | 对称加密 | 物联网安全
下一篇：【图解SHA1杂凑算法】SHA1杂凑算法的Python实现保姆级教程 | 物联网安全 | 信息安全

本人水平有限，文章中不足之处欢迎下方评论区批评指正~

如果感觉对你有帮助，点个赞 支持一下吧 ~

不定期分享 有趣、有料、有营养内容，欢迎 订阅关注 我的博客 ，期待在这与你相遇 ~