HTTPS心得之基础密码学知识和Python PyCrypto库的介绍使用


      在更详细的学习HTTPS之前，我也觉得很有必要学习下HTTPS经常用到的加密编码技术的背景知识。密码学是对报文进行编解码的机制和技巧。可以用来加密数据，比如数据加密常用的AES/ECB/PKCS5Padding加密，也可以用来防止报文的篡改，使用RSA2048withSHA256签名验证，使用MD5签名等。如果这些不清楚，即使学习简单能做一个HTTPS的服务器和客户端，实际项目上遇见这类问题还是束手无策，下面介绍下数字加密的一些常用的术语。

      一、密码学基础概念

      1、密码 ： 对文本进行编码，使偷窥者无法识别的算法。是一套编码方案，一种特殊的报文编码和相应的解码方式的结合体。

           加密之前的原始报文称为明文，使用密码之后的报文叫密文。一个简单的例子：

                 

 

            这个例子是著名的三字符循环移位密码rot3，在字母中循环移位3个字符。

                        

      2、密钥 ： 改变密码行为的数字化参数。

          rot3这种密码是比较简单的算法，用笔和纸都能解码出来，十分的不安全，于是出现了密钥。比如rot3算法转换使用密钥的算法就是“循环移位N字符”密码。N就是密钥，N值不通，即使是同一个算法，编码                   出来的报文也是不一样的。

                 

     3、 数字密码：一段明文P，一个编码函数E，一个数字密钥e，经过密码E，能产生密文C。密文C通过解密函数D和解密密钥d，可以将明文P解码出来

           

                       

              对称密钥加密系统：编码和解码使用相同密钥的算法。e=d。

              在对称密钥加密技术中，发送端和接收端共享相同的密钥进行通信。比较流行的对称加密算法包括：DES，RC4,RC2。密钥值的数量取决于密钥的位数。比如使用使用8位的密钥就可能有256个可能的密钥                  值，如果一个算法使用8位的密钥，那这个加密算法是很容易被破解的，对于对称密钥的加密技术，128位的密钥被认为是非常强大的了。需要10的19次方年才能破解（之前貌似有新闻说已破解，未仔细究）。

       

                    使用对称密钥有一个缺点：发送方和接收方在相互对话前，需要建立一个共享的保密的密钥值。比如服务器X跟客户端A交互，服务器X需要保存XA密钥在服务器，与客户端B交互，需要保存XB密钥。每一对              通信实体都需要自己的私钥。如果有N个节点，每个节点都要和其他的N-1节点进行通话，那对管理密钥，简直是异常噩梦。

                             

 

 

      4、非对称密钥加密系统： 编码和解码使用不同密钥的算法。

             使用对称密钥的密码，密钥都是非公开的，只有这一对通话实体才知道彼此选择的密钥，但是对于非对称密钥，给所有的客户端的密钥都是一样的，是公开的。而解码的密钥是私有的，只有服务器知道，只有服       务器端才能解密。这样服务器X只需要将其ex密钥公布于众，任何人想要给X发信息，使用同一个密钥即可。但是只有服务器X使用私有密钥才能正确的解密报文。比较流行的有RSA。

                           

     5、 数字签名：用来延期报文未被伪造篡改的校验和。私钥签名，公钥验签。

                  数字签名通常是用非对称公开密钥技术产生的。以节点A给节点B发送报文，附加签名为例：

            A、节点A从报文中选取定长的数据，在定长的摘要。

            B、节点A对摘要应用了一个“签名”函数，这个函数将用户的私钥密钥做为参数，只有节点A才知道这个私钥。

            C、一旦计算出签名，节点A就将其附加在报文的末尾，将报文和签名发送给B。

            D、B接收到报文后，需要确定报文确实是节点A发送过来的且没有篡改，使用公开的密钥的反函数。拆包后的摘要与A不一致，则说明报文在传输过程中被篡改了。

                     

 

       六、数字证书：由一个可信的组织验证和签发的识别信息。一般用于证明服务器是可信任的服务器。跟数字签名完全不是一个概念。

              数字证书中包含了由某个受信任组织担保的用户或者公司的相关信息。比如我们的身份证和护照，是由政府这个权威机构在特殊的纸上签发且盖章登记的，很难伪造，可信度很高。数字证书的所有信息都是由一个官方的“证书颁发机构”以数字方式签发的，一般包含以下内容：

     

           任何人都可以创建一个数字证书，但并不是所有人都能获取受人尊敬的签发权，证书颁发机构CA常见的有谷歌等，一般情况下，获取一个权威机构签发的证书的费用是相当昂贵的，所以可以使用某类工具（openssl），自己注册CA组织，创建数字证书。现在大部分的证书都以X.509 V3作为一准标准格式，将证书信息规范到一些可解析的字段信息中，大致如下所示。

                           

                             

          HTTPS协议建立一个安全的事务后，现在的浏览器会子的那个的获取所连接服务器的数字证书。如果服务器端没有证书，安全连接就会失败（但是客户端可以设置是否要校验证书的合法性）。浏览器在收到证书后需要对签名颁发机构进行检查。

          如果这个机构是很有名的权威公共签名机构，浏览器可能早已知道其公钥，接下来浏览器就需要验证签名的正确性，使用公钥和解密方法，拆包获取摘要信息，如果摘要信息与证书中的摘要信息一致，则证书的完整性得到了确定。

         如果浏览器对机构一无所知，浏览器无法确定是否需要信任这个组织的签名颁发的证书，通常浏览器会向用户显示一个对话框，让用户自行选择是否信任。

         

 

             二、Python的密码学模块pycrypto的简单学习。

      1、pycryto 库简介：

             官网的手册的链接：http://pythonhosted.org/pycrypto/

             pycryto模块不是Python的内置模块，pycrypto模块是一个实现了各种算法和协议的加密模块的结合，提供了各种加密方式对应的多种加密算法的实现，包括 单向加密、对称加密以及公钥加密和随机数操作。hashlib和hmac虽然是Python的内置模块，但是它们只提供了单向加密相关算法的实现，如果要使用对称加密算法（如, DES，AES等）或者公钥加密算法我们通常都是使用pycryto这个第三方模块来实现。存在以下几个子包：

           

           pycryto能实现大致3种类型的数据加密（单向加密、对称加密 和非对称加密），产生随机数，生成密钥对，数字签名。

          A、单向加密，Crypto.Hash其中中包含MD5、SHA1、SHA256等，这些算法又称为“哈希算法”或“散列算法”或“数据摘要算法”。Python内置的hashlib和hmac也可以实现。

          B、对称加密，Crypto.Cipher，如常见的DES等。

          C、非对称加密，Crypto.Cipher ，如常见的AES加密等。

          D、随机数操作，Crypto.Random，也可以使用Python内置的random模块和secrets模块产生。

          E、生成密钥对，Crypto.PublicKey，支持生成RSA算法的密钥对生成。

          F、数字签名与验签，可能需要使用到Crypto.PublicKey，Crypto.Hash，Crypto.Signature。

     2、安装

          pycryto不是Python的内置模块，所以在使用它之前需要通过Python模块管理工具(如pip)来安装，通过使用命令安装：pip install pycryto。pycrypto模块是用C语言实现的，Python模块管理工具在安装它时需要使用C/C++编译工具对它的代码进行编译。这一点需要注意下，可能安装的时候会报错。

     3、实例

    A.  使用SHA256算法获取一段数据的摘要信息

from Crypto.Hash import SHA256

hash = SHA256.new()
hash.update('Hello, World!')
digest = hash.hexdigest()
print(digest)

  B、AES/ECB/PKCS5Padding加密。

        这是AES加密一般需要知道的格式，ECB是AES支持的模式，PKCS5Padding是填充方法。如果对AES算法不清楚，肯定就不明白模式，填充是什么意思，建议可以看下https://www.cnblogs.com/OneFri/p/5924605.html 这篇博客，在了解大致算法原理后，才能充分学习这个库。

 

from Crypto.Cipher import AES

# 加密与解密所使用的密钥，长度必须是16的倍数
AESkey = 'PLKQ017MD5AESKEY'
# 要加密的明文数据，长度必须是16的倍数，可能不足，就需要填充
plain_data = "Hello, World!"

def encrypt(self,obj,data):
    bs = AES.block_size
    pad = lambda s: s + (bs - len(s) % bs) * chr(bs - len(s) % bs)
    encrypt_msg = obj.encrypt(pad(data))
    return  b2a_hex(encrypt_msg)

# 数据加密
obj = AES.new(AESkey, AES.MODE_ECB)
cipher_data = obj .encrypt(obj,plain_data)
print('cipher data：', cipher_data)

 

    C、使用RSA算法生成密钥对

 

from Crypto import Random
from Crypto.PublicKey import RSA

# 获取一个伪随机数生成器
random_generator = Random.new().read
# 获取一个rsa算法对应的密钥对生成器实例
rsa = RSA.generate(1024, random_generator)

# 生成私钥并保存
private_pem = rsa.exportKey()
with open('rsa.key', 'w') as f:
    f.write(private_pem)

# 生成公钥并保存
public_pem = rsa.publickey().exportKey()
with open('rsa.pub', 'w') as f:
    f.write(public_pem)

 

私钥：

 

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----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-----END RSA PRIVATE KEY-----

 

公钥：

-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQCo7vV5xSzEdQeFq9n5MIWgIuLT
BHuutZlFv+Ed8fIk3yC4So/dy1f64iuYFcDeNU7eVGqTSkHmAl4AihDXoaH6hxoh
rcX0bCg0j+VoQMe2zID7MzcEd50FhJbuG6JsWtYzLUYs7/cQ3urZYwB4PEVa0WxQ
j2aXUMsxp6vl1CgB4QIDAQAB
-----END PUBLIC KEY-----

        D、RSA2048withSHA256。数据先做SHA256摘要，再做RSA签名。具体签名的一些基础理论知识可以参考这章节签名的笔记。

 

#!/usr/bin/env python2.7
#coding:utf-8

import cgi, base64
from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Signature import PKCS1_v1_5
from Crypto.Hash import SHA256
import base64
import hashlib


#私钥文件
priKey = '''-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----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-----END RSA PRIVATE KEY-----'''

#公钥文件
pubKey = '''-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQDKoeRzRVf8WoRSDYYqUzThpYCr
90jfdFwTSXHJ526K8C6TEwdTUA+CFPQPRUg9jrYgFcown+J2myzO8BRLynD+XHb9
ilLb49Mqk2CvDt/yK32lgHv3QVx14Dpb6h8isjncSF965fxBxlHGbvPwnHkJ9etR
IYdYV3QpYohFszH3wQIDAQAB
-----END PUBLIC KEY-----'''

def sign(data):
    key = RSA.importKey(priKey)
    h = SHA256.new(data)
    signer = PKCS1_v1_5.new(key)
    signature = signer.sign(h)
    return base64.b64encode(signature)

raw_data ='test1'
sign_data = sign(raw_data)
print "sign_data: ", sign_data

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