如何使用RSA 對數據加解密和簽名驗簽？一篇文章帶你搞定

「來源: ｜Python爬蟲與數據挖掘 ID：crawler_python」

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今

日

雞

湯

三分割據紆籌策，萬古雲霄一羽毛。

前言

加密是指利用某個值（密鑰）對明文的數據通過一定的算法變換加密（密文）數據的過程，它的逆向過程叫解密。

業務場景：一般情況下，互聯網上流動的數據不會被加密，無法避免這些數據泄露竊取，實際數據上傳過程中，為了保證數據不被泄露、實現安全數據傳輸，出現了各種加密技術，本次主要分享如何通過python來實現非對稱加密算法RSA加解密。

RSA算法簡介

加密和解密使用相同的密鑰叫對稱加密方式，而非對稱加密算法（公鑰加密方式）RSA加密與解密分別用不同的密鑰，公鑰用於加密，私鑰用於解密。

比如發送者S要給接受者R傳輸報文信息，為了避免信息泄露，秘鑰簽發者R事先通過RSA加密算法生成秘鑰對，並且將公鑰事先給到S，私鑰則自己保留，S向R傳輸信息時，先用R提供的公鑰加密報文，然後再將報文傳輸給R，R獲取加密後的信息，再通過其單獨持有的私鑰解密報文，即使報文被竊聽，竊聽者沒有私鑰，也無法解密。公鑰對外公開的，私鑰自己保留，由於公鑰是公開的，任何人都能拿到（會同時給到多個人），都可以使用公鑰來加密發送偽造內容，因此，驗證發送者的身份，確保報文的安全性顯得非常重要。

考慮到一種情況：發送者S獲取接收者R的公鑰時，被中間人A獲取到了這個公鑰，通過公鑰對信息加密，冒充S來給R發篡改的報文,同樣R接受信息後也能夠通過持有的私鑰解密報文數據，接受者無法辨別數據發送者身份，存在報文非法修改風險，為了區分發送者的身份，那麼這個時候我們就要用到簽名。

簽名原理：對報文做摘要，能防止被篡改。發送方對報文原文做加鹽hash摘要，把加密原文和摘要一起發送給接收方，接收方解密後，用同樣的hash方法計算並比對摘要，就能判斷原文是否被篡改。

簽名過程：發送者S同樣也生成了一對秘鑰，事先將公鑰給到R,在發送消息之前,先用R給的公鑰對報文加密，然後簽名使用S自己私鑰來簽名，最後將加密的消息和簽名一起發過去給R,接受者R在接收到發送者S發送的數據後，首先使用S的公鑰對簽名信息進行驗簽，確認身份信息，如果確認是發送者S，然後再R才利用私鑰對加密消息進行解密，從而隔離非法數據包的接收。

這樣一來，發送過程信息被獲取，沒有R的私鑰無法解密信息，即使獲取到發送者S的公鑰，想要仿造發送信息沒有S的私鑰無法簽名，同理R給S回覆信息時，可以通過R的公鑰加密，自己的私鑰生成簽名，S接收到數據使用同樣的方式進行解密驗證身份。私鑰加簽，公鑰驗簽，這樣就能確保只有私鑰持有者也就是發送者能合法發送數據。

加簽：

驗簽：

Python實現RSA加解密相關知識要點

1、首先安裝加密庫：pip install pycryptodome

python中要使用到crypto相關的庫，使用的第三方庫是 pycryptodome，其為pycrypto的延伸版本。

rsa文檔地址：https://stuvel.eu/files/python-rsa-doc/index.htmlpycryptodome文檔地址：https://www.pycryptodome.org/en/latest/src/cipher/classic.html2、字符串和Bytes互相轉換使用encode()和decode()方法

加密與解密操作的時候，要確保我們操作的數據類型是Bytes。

3、生成秘鑰對

秘鑰對一般由密鑰簽發者來生成提供。通過RSA校驗生成自己的公鑰，私鑰，這裡生成固定的備用。

from Crypto import Randomfrom Crypto.PublicKey import RSA# 偽隨機數生成器random_gen = Random.new().read# 生成秘鑰對實例對象：2048是秘鑰的長度rsa = RSA.generate(2048, random_gen)# 獲取私鑰，保存到文件private_pem = rsa.exportKey()with open('private.pem', 'wb') as f: f.write(private_pem)# 獲取公鑰保存到文件public_pem = rsa.publickey().exportKey()with open('public.pem', 'wb') as f: f.write(public_pem)

生成秘鑰對的時候，可以指定生成秘鑰的長度，一般推薦使用 1024bit, 1024bit 的 rsa 公鑰，加密數據時，最多只能加密 117byte 的數據，數據量超過這個數，則需要對數據進行分段加密；為保證更安全，儘量使用 2048bit ，最多只能加密245byte 長度的數據。

秘鑰對生成如下格式：

公鑰-----BEGIN PUBLIC KEY-----MIIBIjANBgkqhkiG9w0BAQEFAAOCAQ8AMIIBCgKCAQEAtas/LB41SKhFtu49b7TZoiTQ+ABoT6b8REs8PuuE5PZHByA/IXvEGrNl5osOV79OMmgAxiZGirXOfWZMoZuB7Htu97Fyyh9fc9WLlkaCPbkN6LDp6EEiW+seQbcmJHRSgQUyyzu/T9/x9aA2aoHvJeRO59kDmYfyoyg5+rFfgzy+YizZWqFRTLV9ZXKecIfAy7Opt3rnc2EaiFDr7/zwKJmIxOfESwmhmRV1RyMj3O0yFD1xnkZ7ouh+4OExwNjTdUVpoQDz2HaU9QC/tEIXTyJX36sJSyciLb+8itcfhegnBiNxRYZtwzsq8o9ASBcuXjzZPU7zlVGQTxIK7lWXPwIDAQAB-----END PUBLIC KEY-----私鑰-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----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-----END RSA PRIVATE KEY-----

計算公式如下：秘鑰長度/8-11 = 最大加密量（單位：byte）

4、Base64編碼

base64 是網絡上最常見的用於傳輸8bit字節代碼的編碼方式之一，是一種基於64個可見字符來表示二進制數據的方法。用來將非ASCII字符數據轉換成ASCII字符的一種方法，特別適合在HTTP協議下快速傳輸數據。比如郵件，ASCII 控制字符 、中文、圖片二進制數據等。

基本原理

base64 將 ASCII 碼 或者二進制編碼成只包含 A~Z、a~z、0~9、+ 、/ 這64個字符（26個大寫字符、26個小寫字符、10個數字、+/）。通過3個8bit字節（ 3 x 8 = 24 ）編碼成4個6位字節（4 x 6 = 24）,在每個6位字節前補兩個0，形成4個8字節形式。

編碼規則

base64要求把每3個8bit字節轉換為4個6bit的字節，然後把6bit的字節高兩位添加為0，組成4個8bit的字節，理論上將比原來長1/3。如果要編碼的二進制數據不是3的倍數，數據長度除以3的餘數就是2或者1，轉換的時候結果不足6位的，用0來填充，之後在6位前面補兩個0，轉換完空出的結果用 = 來補位，最後保證編碼出來的字節為4的倍數。解碼的時候，等號會自動被去掉。

註：由於標準的Base64編碼後可能出現字符+和斜扛/,+和/在URL中不能直接作為參數，因此，Base64提供了urlsafe_b64encode方法將+和/分別轉換為橫槓-和下畫線_，使用urlsafe_b64decode方法將橫槓-和下畫線_還原為字符+和斜扛/。

Python實現RSA加解密和簽名驗簽類

本文將RSA加密方法寫成一個類，支持包含中文的長字符串分段加解密。

註：經過分段加密的數據，在進行解密的時候我們也要分成多段解密，然後解密之後再進行拼接成原串，加密簽名與解密驗簽注意保持原串一致。

from Crypto import Randomfrom Crypto.PublicKey import RSAfrom Crypto.Cipher import PKCS1_v1_5 as Cipher_PKCS1_v1_5import base64from Crypto.Signature import PKCS1_v1_5 as Sig_pkfrom Crypto.Hash import SHAclass RSACipher():''' RSA加密、解密、簽名、驗簽工具類 備註：# RSA的加密機制有兩種方案一個是RSAES-OAEP，另一個RSAES-PKCS1-v1_5 # 對同樣的數據，用同樣的key進行RSA加密， 每次的輸出都會不一樣；但是這些加密的結果都能正確的解密 ''' def read_xml(self,xmlfile):''' 讀取待加密明文方法 ''' with open(xmlfile, 'r', encoding="utf-8") as file:# 用open()將XML文件中的內容讀取為字符串 xmlstr = file.read()print(xmlstr)return xmlstr def encrypt_file(self,encrypt_file):''' 保存加密後密文方法 ''' with open(encrypt_file, 'rb') as f: message = f.read()return message def Encrypt(self, message, publicKeyfile, out_file):''' 加密方法 :param message: 需要加密的明文 :param publicKeyfile: 公鑰文件 :param out_file: 輸出密文 :return: 加密後的文本 ''' with open(publicKeyfile, 'r') as f: publicKey = f.read() pubKey = RSA.importKey(publicKey) cipher = Cipher_PKCS1_v1_5.new(pubKey) message = message.encode()# 分段加密，加密長度byte為8的倍數，最長不超出最大加密量（單位：byte）=秘鑰長度/8-11 length = len(message) default_length = 245 offset = 0 res = bytes()while length - offset > 0:if length - offset > default_length: _res = cipher.encrypt(message[offset:offset + default_length])else: _res = cipher.encrypt(message[offset:]) offset += default_length res += _res encrypt_text=base64.b64encode(res) with open(out_file, 'wb') as f_w: f_w.write(base64.b64encode(res))return encrypt_text def Decrypt(self,message, privateKeyfile, out_file):''' 解密方法 :param message: 加密後的密文 :param privateKey: 私鑰文件 :param out_file: 輸出明文 :return: 解密後的文本 ''' with open(privateKeyfile, 'r') as f: privateKey = f.read() rsaKey = RSA.importKey(privateKey) cipher = Cipher_PKCS1_v1_5.new(rsaKey) randomGenerator = Random.new().read message = base64.b64decode(message.decode()) res = []for i in range(0, len(message), 256): res.append(cipher.decrypt((message[i:i + 256]),randomGenerator)) plainText = bytes(b"".join(res)).decode()print(plainText) with open(out_file, 'w', encoding='utf-8') as f_w: f_w.write(plainText)return plainText def sign(self,message, private_sign_file):''' 簽名方法 :param message: 需要簽名的文本 :param private_sign_file: 私鑰文件 :return: 簽名信息 ''' with open(private_sign_file, 'r') as f: private_sign = f.read() message = message.encode() private_key = RSA.importKey(private_sign)# 根據sha算法處理簽名內容 hash_value = SHA.new(message)# 私鑰進行簽名 signer = Sig_pk.new(private_key) signature = signer.sign(hash_value) result=base64.b64encode(signature).decode()return result # 將簽名後的內容，轉換為base64編碼 def verify(self,message,public_sign_file,signature):''' 驗簽方法 :param message: 需要驗簽的文本 :param public_sign_file: 公鑰文件 :param signature: 簽名信息 :return: 驗簽結果 ''' with open(public_sign_file, 'r') as f: public_sign = f.read() signature = base64.b64decode(signature)# 將簽名之前的內容進行hash處理 public_key = RSA.importKey(public_sign)print(public_key)# 驗證簽名 hash_value = SHA.new(message.encode()) verifier = Sig_pk.new(public_key)return verifier.verify(hash_value, signature)if __name__ == '__main__':#創建RSA加密實例 rsacipher = RSACipher() xmlfile = r'new1.xml' message=rsacipher.read_xml(xmlfile) #待加密明文 encryptFile = "encrypt.txt"#加密後密文 publicKeyfile="rsa.pub"#公鑰加密# 加密 encrypt_text = rsacipher.Encrypt(message,publicKeyfile,encryptFile)print('加密後:\n%s' % encrypt_text)# 簽名 private_sign_file="private.pem"# 私鑰簽名 signature = rsacipher.sign(message,private_sign_file)print('簽名:\n%s' % signature)# 解密 decryptFile ="deencrypt.txt"#輸出解密內容 privateFile = "rsa.key"#私鑰解密 decrypt_text = rsacipher.Decrypt(encrypt_text,privateFile,decryptFile)print('解密後:\n%s' % decrypt_text)# 驗簽 pubic_sign_file = "public.pem"# 公鑰驗簽 result = rsacipher.verify(decrypt_text,pubic_sign_file,signature)print('驗簽:\n%s' % result)

文中包含所有源碼，自己動手創建兩套公鑰私鑰、測試文本即可，快動手試一下吧。

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