python进件 — 密码学

1、密码学介绍

密码学是研究和应用如何保护信息的一门学科。它涉及使用加密技术来确保数据的保密性、完整性和可用性。密码学的目标是设计和分析安全的算法和协议，以保护通信、存储和计算过程中的敏感数据。

密码学可以分为两个主要领域：对称密码和非对称密码。

1. 对称密码（又称为共享密钥密码）：在对称密码中，使用相同的密钥进行加密和解密操作。发送方使用密钥对数据进行加密，接收方使用相同的密钥对数据进行解密。对称密码算法通常被称为块密码（如AES）或流密码（如RC4）。

2. 非对称密码（又称为公钥密码）：在非对称密码中，使用一对相关联的密钥，即公钥和私钥。发送方使用接收方的公钥对数据进行加密，接收方则使用其私钥对数据进行解密。非对称密码算法通常用于实现数据的机密性和身份验证，最著名的非对称密码算法是RSA和椭圆曲线密码学（ECC）。

密码学还涉及到其他概念和技术，例如哈希函数（用于生成固定长度的散列值）、消息认证码（用于验证消息完整性）和数字签名（用于验证消息来源和完整性）等。

密码学的目标是保护数据的机密性（防止非授权方访问）、完整性（防止数据被篡改）和可用性（确保合法用户可以访问数据）。密码学在信息安全、电子商务、云计算、区块链和许多其他领域都发挥着重要的作用。

2、秘钥

2.1 公私钥

公钥和私钥是非对称加密算法中使用的密钥对，也被称为公私钥对（Public-Key Cryptography）。

公钥（Public Key）是可以公开给其他人使用的密钥。公钥用于加密数据，也可以用来验证签名。它是由非对称加密算法的加密方生成，并且可以自由地在公共通信渠道上传播。由于公钥在加密过程中只用于加密数据或验证签名，不参与解密或生成签名的过程，因此可以放心地公开使用。

私钥（Private Key）是与公钥配对使用的秘密密钥，只由私钥的持有者知道，并且必须严格保密。私钥用于解密数据和生成签名。只有拥有私钥的人才能够解密使用公钥加密的数据，或者使用私钥对数据进行签名。

2.2 秘钥格式

PKCS#1格式（Public-Key Cryptography Standards #1）：  

公钥以 `-----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----` 开头，以 `-----END RSA PUBLIC KEY-----` 结尾。  
私钥以 `-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----` 开头，以 `-----END RSA PRIVATE KEY-----` 结尾。  

PKCS#8格式（Public-Key Cryptography Standards #8）：  

公钥以 `-----BEGIN PUBLIC KEY-----` 开头，以 `-----END PUBLIC KEY-----` 结尾。  
私钥以 `-----BEGIN PRIVATE KEY-----` 开头，以 `-----END PRIVATE KEY-----` 结尾。  

PKCS#8格式相对更加通用，适用于不同的非对称加密算法和扩展属性的存储；而PKCS#1格式主要用于RSA算法的公私钥存储，没有统一的格式同时存储公钥和私钥。

2.3 保存秘钥的文件格式

PEM格式（Privacy Enhanced Mail）：PEM格式是一种基于文本的格式，通常使用扩展名为.pem。在PEM格式中，密钥以Base64编码的形式存储，并使用特定的头部和尾部标记来标识密钥类型。例如，公钥以"-----BEGIN PUBLIC KEY-----"开始，以"-----END PUBLIC KEY-----"结束，私钥以"-----BEGIN PRIVATE KEY-----"开始，以"-----END PRIVATE KEY-----"结束。PEM格式的密钥可以直接在文本文件中存储，并且易于读取和传输。

DER格式（Distinguished Encoding Rules）：DER格式是一种二进制格式，通常使用扩展名为.der。在DER格式中，密钥以ASN.1（Abstract Syntax Notation One）结构编码。DER格式的密钥相对于PEM格式更紧凑，适用于网络传输和存储。DER格式的密钥无法直接在文本文件中阅读，因为它是以二进制形式存储的。

3、数字签名和认证

数字签名是一种用于验证数据完整性、身份认证和防止抵赖的技术。它基于非对称加密算法和哈希算法的组合实现。

发送方数字签名的过程如下：
1. 发送方使用哈希算法对原始数据进行摘要处理，生成一个固定长度的哈希值。
2. 发送方使用自己的私钥对摘要进行加密，生成数字签名。
3. 发送方将数字签名与原始数据一起发送给接收方。

接收方验证数字签名的过程如下：
1. 接收方使用发送方的公钥对数字签名进行解密，得到摘要。
2. 接收方使用相同的哈希算法处理接收到的原始数据，生成一个新的哈希值。
3. 接收方比较解密得到的摘要和新生成的哈希值，如果一致，说明数据完整性未被篡改。

数字签名的原理在于，只有拥有私钥的发送方才能生成有效的数字签名，而任何人都可以使用公钥验证签名的有效性。这样可以确保数据的完整性，并且可以防止发送方抵赖已发送的数据。

常见的数字签名算法包括RSA和DSA。此外，数字证书和证书颁发机构（CA）也在数字签名中发挥重要作用，用于验证公钥的真实性和可信度。数字签名在电子商务、信息安全和数字文档传输等领域得到广泛应用。

4、加密算法

加密算法是一种数学算法，用于将原始数据转换为不可读的密文，以保护数据的机密性和安全性。以下是几种常见的加密算法：

1. 对称加密算法：对称加密算法使用相同的密钥进行加密和解密。常见的对称加密算法有：
   - AES（Advanced Encryption Standard）：是一种高级加密标准，广泛应用于各种安全应用中。
   - DES（Data Encryption Standard）：是一种数据加密标准，已被AES所取代，但仍在某些应用中使用。
   - 3DES（Triple Data Encryption Algorithm）：是DES的改进算法，通过对数据进行多次DES加密来增强安全性。

2. 非对称加密算法：非对称加密算法使用一对密钥，分别是公钥和私钥，用于加密和解密数据。常见的非对称加密算法有：
   - RSA（Rivest-Shamir-Adleman）：是一种基于大素数因子化的非对称加密算法，广泛应用于数字签名、密钥交换和加密等领域。
   - ECC（Elliptic Curve Cryptography）：是一种基于椭圆曲线数学问题的非对称加密算法，具有较短的密钥长度和高级别的安全性。

3. 哈希算法：哈希算法将任意长度的数据映射为固定长度的哈希值，常用于验证完整性和生成数字签名。常见的哈希算法有：
   - MD5（Message Digest Algorithm 5）：生成128位哈希值，但由于其安全性受到一些限制，已不再推荐使用。
   - SHA（Secure Hash Algorithm）家族：包括SHA-1、SHA-256、SHA-3等，生成不同长度的哈希值，被广泛用于数据完整性校验和数字签名等领域。

5、RSA加密算法

RSA（Rivest-Shamir-Adleman）算法是一种非对称加密算法，也是最著名和广泛应用的公钥加密算法之一。它由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman三位密码学家于1977年提出。

RSA算法的基本原理是利用大素数因子分解问题，它使用一对相关的密钥：公钥和私钥。

RSA算法的加密过程如下：
1. 首先，选择两个不相等的大素数p和q，并计算它们的乘积n=p*q。
2. 计算与n互质的正整数e，作为加密密钥的一部分，称为公钥（n, e）。
3. 计算e的模反元素d，使得(e * d) mod ((p-1) * (q-1)) = 1，作为解密密钥的一部分，称为私钥（n, d）。
4. 加密时，将消息M转换为整数m，满足0 <= m < n。
5. 加密运算：密文C = m^e mod n，其中^表示幂运算，mod表示求余运算。
6. 将密文C发送给接收方。

解密过程如下：
1. 接收到密文C后，用私钥（n, d）进行解密运算：明文M = C^d mod n。
2. 将解密得到的明文M转换为原始消息。

RSA算法的安全性依赖于大整数因子分解问题的困难性，即将一个大整数分解为其素数因子的困难性。如果一个人能够快速有效地解决大整数的因子分解问题，那么整个RSA加密系统就会被破解。

RSA算法在数据加密、数字签名、密钥协商和安全通信等方面广泛应用，是公钥加密领域的重要算法之一。

 

6、加解密步骤

对于加解密的具体操作，一般遵循以下步骤：

1. 选择合适的加密算法：根据需求选择合适的对称密码或非对称密码算法。对称密码通常用于对称加密和解密，而非对称密码通常用于公钥加密和解密以及数字签名等操作。

2. 生成密钥：对于对称密码，生成一个共享的密钥用于加密和解密操作。对于非对称密码，生成一对相关联的公钥和私钥，分别用于加密和解密。

3. 执行加密操作：使用合适的加密算法和密钥，对明文数据进行加密。对称密码和非对称密码的加密操作略有不同，需要根据具体的算法和库进行操作。

4. 执行解密操作：使用相应的密钥，对加密后的密文进行解密，以恢复原始的明文数据。

需要注意的是，安全的加密和解密通常需要考虑更多的因素，如数据完整性验证、密码存储和密钥管理等。因此，在实际应用中，建议使用密码学库或模块提供的高级功能和最佳实践，以确保数据的安全性和完整性。

 

7、接口加密加签交互流程

接口加签加密，发送方和接收方交互流程如下：

1. 密钥生成：发送方和接收方各自生成一对RSA密钥，包括公钥和私钥。

2. 公钥交换：发送方将自己的公钥发送给接收方，接收方将自己的公钥发送给发送方。

3. 数据准备：发送方将要发送的数据进行准备，并将数据进行序列化，得到要发送的原始数据。

4. 数据签名：发送方使用自己的私钥对原始数据进行哈希运算，并对哈希值进行加密操作得到数字签名。

5. 数据加密：发送方使用接收方的公钥对原始数据进行加密操作，得到密文数据。

6. 组装请求：发送方将密文数据和数字签名一起组装为请求数据。

7. 请求发送：发送方将请求数据发送给接收方。

8. 请求解析：接收方接收到请求数据后，对数据进行解析，获取密文数据和数字签名。

9. 数字签名验证：接收方使用发送方的公钥对接收到的数字签名进行解密操作，得到原始的哈希值。然后对接收到的密文数据进行哈希运算，得到新的哈希值。接收方将用发送方的公钥对新的哈希值进行解密，与解密出的原始哈希值进行比对，以验证数字签名的有效性和数据的完整性和真实性。

10. 数据解密：接收方使用自己的私钥对接收到的密文数据进行解密操作，恢复成原始的明文数据。

通过以上步骤，数据在发送方进行数字签名和加密，然后在接收方进行数字签名验证和解密，以确保数据在传输过程中的机密性、完整性和真实性。同时，数字签名的验证可以验证数据的有效性，防止数据在传输过程中被篡改或伪造。

8、Python中密码学相关库

在Python中，有几个常用的密码学相关库可以用于实现加密、解密、数字签名、哈希函数等功能。以下是其中一些库的简要介绍：

1. `rsa`：这是一个专门用于RSA算法的库，提供了生成RSA密钥对、加密解密、数字签名和验证等功能。它可以用于实现非对称加密和数字签名的应用。

2. `cryptography`：这是一个功能强大的密码学库，提供了许多密码学算法和功能，包括对称密码、非对称密码、哈希函数、消息认证码、随机数生成等。它使用了现代密码学的最佳实践，通过高级API和易于使用的接口，使进行密码学操作变得简单和安全。

3. `hashlib`：这是Python标准库中的一个模块，提供了常见的哈希函数的实现，如MD5、SHA-1、SHA-256等。它可以用于计算散列值，进行数据完整性验证、密码存储等操作。

这些库都拥有丰富的功能和广泛的使用，并具有成熟的社区支持。根据具体的需求和项目要求，选择适合的密码学库可以帮助简化开发过程并提高安全性。

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reference：

RSA密钥详解 - 知乎