OpenSSL和Python实现RSA Key数字签名和验证

程序员文章站 2022-05-07 21:13:33

OpenSSL和Python实现RSA Key数字签名和验证，基于非对称算法的RSA Key主要有两个用途，数字签名和验证（私钥签名，公钥验证），以及非对称加解密（公钥加密，私钥解...

OpenSSL和Python实现RSA Key数字签名和验证，基于非对称算法的RSA Key主要有两个用途，数字签名和验证（私钥签名，公钥验证），以及非对称加解密（公钥加密，私钥解密）。本文提供一个基于OpenSSL命令行和Python的数字签名和验证过程的例子，另外会另起一篇使用OpenSSL和Python进行非对称加解密的例子。

1. OpenSSL实现数字签名和验证

1.1 生成私钥

生成2048 bit的PEM格式的RSA Key：Key.pem

# 生成私钥文件Key.pem
$ openssl genrsa -out Key.pem -f4 2048
Generating RSA private key, 2048 bit long modulus
.+++
...................................................................+++
e is 65537 (0x10001)
# 查看私钥文件内容
$ cat Key.pem 
-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----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-----END RSA PRIVATE KEY-----

1.2 导出公钥

从私钥导出公钥：Key_pub.pem

# 从私钥导出公钥，很简单，使用参数-pubout就可以
$ openssl rsa -in Key.pem -pubout -out Key_pub.pem
writing RSA key
# 查看公钥文件内容
$ cat Key_pub.pem 
-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIIBIjANBgkqhkiG9w0BAQEFAAOCAQ8AMIIBCgKCAQEAoZZKNO89UcDkEgdulOtA
K0d9dQ0xfnpt4QNUg16ISeNuAFYvOeXn/ToGounX67+bkYpH92dXCnNpOsERLoge
nWQT533tsRU9KByeCz+PRgjc5cBnwAA6z+F7JFUkY3GAaZDe7dmSIES/FH+9YKjR
Se7+h2sF7va3tGPn8cLpDUoLLk2eugWvmuWgEpCE6Wyed7UV3Vzdf2R+9oya9jkA
oHI14hrz3xDssg0wlHqbptwsmwAQ1ZBDSB1MpqaLCaUvV8NvtSBLDsZlzwkOj7bP
iFZJRFIqRRg0UNWkUBR+BJhWZ7ZcDud2kJcH0mX8/rfthfFa5Oy38Iz8UQOW0uZR
lQIDAQAB
-----END PUBLIC KEY-----

1.3 准备签名数据

为了简单起见，生成16字节全0的数据作为测试文件：data.bin

# 使用dd命令生成16字节的data.bin
$ dd if=/dev/zero of=data.bin bs=1 count=16
16+0 records in
16+0 records out
16 bytes (16 B) copied, 0.000189593 s, 84.4 kB/s
# 使用hexdump查看data.bin的内容，16个字节全都是0
$ hexdump -Cv data.bin 
00000000  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000010

1.4 计算sha256哈希

直接计算data.bin的sha256哈希值：

# 调用openssl dgst计算sha256
$ openssl dgst -sha256 data.bin 
SHA256(data.bin)= 374708fff7719dd5979ec875d56cd2286f6d3cf7ec317a3b25632aab28ec37bb

也可以将data.bin的sha256哈希值存储到单独的文件：data.bin.sha256

# 将sha256结果输出到文件data.bin.sha256
$ openssl dgst -sha256 -binary -out data.bin.sha256 data.bin    
# 使用hexdump查看data.bin.sha256文件的内容
$ hexdump -Cv data.bin.sha256 
00000000  37 47 08 ff f7 71 9d d5  97 9e c8 75 d5 6c d2 28  |7G...q.....u.l.(|
00000010  6f 6d 3c f7 ec 31 7a 3b  25 63 2a ab 28 ec 37 bb  |om<..1z;%c*.(.7.|
00000020

1.5 私钥签名

对数据data.bin使用私钥Key.pem进行签名，生成签名文件：data.bin.signature

# 使用Key.pem对data.bin进行签名，并将签名结果输出到文件data.bin.signature
$ openssl dgst -sha256 -out data.bin.signature -sign Key.pem data.bin
# 使用hexdump查看签名结果文件data.bin.signature的内容
$ hexdump -Cv data.bin.signature 
00000000  7e 59 0f b5 b2 d9 31 f6  af 95 34 79 8d d8 5a a4  |~Y....1...4y..Z.|
00000010  69 02 b9 29 a9 f5 1d 00  6d 84 93 69 8c 65 d3 c9  |i..)....m..i.e..|
00000020  9b 6e 52 48 46 c7 1a b2  71 83 c6 6e 2e bb 6a b0  |.nRHF...q..n..j.|
00000030  bb cf 48 16 49 4d 57 f7  9b e9 0c a6 87 7b 15 cd  |..H.IMW......{..|
00000040  f0 ef ac 39 47 ff 81 95  20 eb 67 29 f4 bb 90 bb  |...9G... .g)....|
00000050  a2 f8 77 5b 14 14 e4 41  26 cc 1a cd 79 22 de 50  |..w[...A&...y".P|
00000060  d6 c3 8c bc 79 68 38 1d  0c 65 fc 21 72 48 a9 97  |....yh8..e.!rH..|
00000070  4c 55 fc 7e 33 7b 65 0c  d9 67 2c 64 01 3f 81 5b  |LU.~3{e..g,d.?.[|
00000080  50 16 54 12 7a eb 96 b8  26 a2 13 28 68 8a 6e 7e  |P.T.z...&..(h.n~|
00000090  b9 12 ee 49 3e 51 5c 43  ff fd 5d 3a 90 5e 5f 2f  |...I>Q\C..]:.^_/|
000000a0  f1 4e 93 73 aa 86 6f 00  e2 b6 0d dc 3d dd 90 da  |.N.s..o.....=...|
000000b0  df 7b e7 ae 15 2b 55 04  81 af c3 16 c6 36 79 3b  |.{...+U......6y;|
000000c0  74 63 7b 72 f1 ac c8 9f  6f c0 4f 45 74 36 38 27  |tc{r....o.OEt68'|
000000d0  73 2b c2 0b 99 ca 58 14  2b 1e 39 d9 6d 8b 5d e3  |s+....X.+.9.m.].|
000000e0  05 40 99 ef 0e 47 e8 e0  ec d4 c6 f6 a3 50 55 0e  |.@...G.......PU.|
000000f0  4a 00 50 d3 80 a0 61 73  38 3a 98 57 15 11 eb 47  |J.P...as8:.W...G|
00000100

这里使用：
- -out选项指定将签名结果存放到data.bin.signature
- -sign选项指定签名使用的私钥Key.pem

这里data.bin.signature是如何生成的呢？
- 第1步，计算sha256的哈希值
- 第2步，对sha256哈希结果进行BER编码，并使用PKCS #1.5进行填充
- 第3步，使用私钥对第2步填充后的内容进行加密得到签名结果

下一节会对这个操作进行验证

1.6 公钥验证

使用公钥Key_pub.pem验证签名文件data.bin.signature：

$ openssl dgst -sha256 -verify Key_pub.pem -signature data.bin.signature data.bin
Verified OK

这里使用：
- -verify选项指定用于验证签名的公钥文件
- -signature选项指定需要待验证的签名，此处指定待验证的签名文件时data.bin.signature文件

输出比较简单，只显示了验证结果为”Verified OK”。

根据上一节签名结果的生成过程，我们不妨反推下验证过程：
- 第1步，使用公钥解密签名数据
- 第2步，对解密的签名数据去掉填充，得到BER编码后的格式
- 第3步，从BER编码中提取哈希数据
- 第4步，计算原始数据的sha256哈希，并同签名文件中得到的哈希进行比较

找遍了openssl的命令，就是没有找到如何使用公钥进行解密的~~
我所知的OpenSSL跟解密相关的两个命令：
- openssl rsautl -decrypt 需要指定私钥进行解密
- openssl enc -d 基于对称密钥进行解密，这里的非对称加解密显然不适合

哪位大神知道的请指点下，这里如何使用公钥解密签名数据？

不过，OpenSSL提供了一个命令openssl rsautil -verify，该命令使用公钥验证签名，可以使用这个命令来达到解密签名数据的效果：
- 解密原始的签名数据（使用BER编码，且带PKCS #1.5填充）

$ openssl rsautl -in data.bin.signature -inkey Key_pub.pem -pubin -verify -hexdump -raw
0000 - 00 01 ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
0010 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
0020 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
0030 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
0040 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
0050 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
0060 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
0070 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
0080 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
0090 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
00a0 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
00b0 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff ff ff ff ff   ................
00c0 - ff ff ff ff ff ff ff ff-ff ff ff ff 00 30 31 30   .............010
00d0 - 0d 06 09 60 86 48 01 65-03 04 02 01 05 00 04 20   ...`.H.e....... 
00e0 - 37 47 08 ff f7 71 9d d5-97 9e c8 75 d5 6c d2 28   7G...q.....u.l.(
00f0 - 6f 6d 3c f7 ec 31 7a 3b-25 63 2a ab 28 ec 37 bb   om<..1z;%c*.(.7.

解密原始的签名数据（BER编码，但不带填充）

$ openssl rsautl -in data.bin.signature -inkey Key_pub.pem -pubin -verify -hexdump
0000 - 30 31 30 0d 06 09 60 86-48 01 65 03 04 02 01 05   010...`.H.e.....
0010 - 00 04 20 37 47 08 ff f7-71 9d d5 97 9e c8 75 d5   .. 7G...q.....u.
0020 - 6c d2 28 6f 6d 3c f7 ec-31 7a 3b 25 63 2a ab 28   l.(om<..1z;%c*.(
0030 - ec 37 bb                                          .7.

填充与不填充的区别在于-raw选项。

以上操作以签名结果data.bin.signature作为输入，并非使用原始数据data.bin作为输入。对比sha256的输出文件data.bin.sha256，解密结果的最后32个字节（对于填充输出，刚好是最后两行）就是原始数据的哈希，所以验证成功。

2. Python实现数字签名和验证

Python签名和验证操作复用OpenSSL生成的文件：
- 私钥 Key.pem
- 公钥 Key_pub.pem
- 数据 data.bin

2.1 安装cryptography库

数字签名和验证基于Python3下的cryptograhpy库，所以需要预先安装：

$ sudo pip3 install cryptography

由于cryptography依赖于cffi库，安装中可能会出错，此时只需要先安装libcffi-dev，再重新安装就好了。

$ sudo apt-get install libffi-dev

本文验证环境：
$ python3 --version
Python 3.4.3
$ pip3 list
...
cryptography (1.9)
...
cryptograhpy库的官方文档： https://cryptography.io/en/latest/

2.2 私钥签名

rsa-sign.py使用指定的私钥Key.pem对数据文件data.bin进行签名，并将签名结果输出到文件signature.bin中，代码如下：


# 导入cryptography库的相关模块和函数
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives import serialization

from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding


# 签名函数
def sign(data_file_name, signature_file_name, private_key_file_name):
    """
    签名函数使用指定的私钥Key对文件进行签名，并将签名结果写入文件中
    :param data_file_name: 待签名的数据文件
    :param signature_file_name: 存放签名结果的文件
    :param private_key_file_name: 用于签名的私钥文件
    :return: 签名数据
    """

    # 读取待签名数据
    data_file = open(data_file_name, 'rb')
    data = data_file.read()
    data_file.close()

    # 从PEM文件中读取私钥数据
    key_file = open(private_key_file_name, 'rb')
    key_data = key_file.read()
    key_file.close()

    # 从PEM文件数据中加载私钥
    private_key = serialization.load_pem_private_key(
        key_data,
        password=None,
        backend=default_backend()
    )

    # 使用私钥对数据进行签名
    # 指定填充方式为PKCS1v15
    # 指定hash方式为sha256
    signature = private_key.sign(
        data,
        padding.PKCS1v15(),
        hashes.SHA256()
    )

    # 将签名数据写入结果文件中
    signature_file = open(signature_file_name, 'wb')
    signature_file.write(signature)
    signature_file.close()

    # 返回签名数据
    return signature


if __name__ == '__main__':
    # 指定数据文件
    data_file = r'data.bin'
    # 指定签名结果文件
    signature_file = r'signature.bin'
    # 指定签名的私钥
    private_key_file = r'Key.pem'

    # 签名并返回签名结果
    signature = sign(data_file, signature_file, private_key_file)
    # 打印签名数据
    [print('%02x' % x, end='') for x in signature]

运行，控制台会打印一长窜签名结果数据：

$ python3 rsa-sign.py 
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

比较Python脚本生成的签名文件signature.bin和使用OpenSSL计算得到的结果：

$ md5sum data.bin.signature signature.bin           
2778de7c17b259d8d0a34538622e2338  data.bin.signature
2778de7c17b259d8d0a34538622e2338  signature.bin

二者的md5结果一致，说明其内容是一样的。

2.3 公钥验证

rsa-verify.py使用指定的公钥Key.pem对对上一节生成的签名文件signature.bin进行验证，代码如下：

#!/usr/bin/env python3

# 导入cryptography库的相关模块和函数
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives import serialization

from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding

from cryptography.exceptions import InvalidSignature

# 验证函数
def verify(data_file_name, signature_file_name, public_key_file_name):
    """
    验证函数使用指定的公钥对签名结果进行验证
    :param data_file_name: 原始数据文件
    :param signature_file_name: 签名验证文件
    :param public_key_file_name: 用于验证的公钥文件
    :return: 成功返回True, 失败返回False
    """

    # 读取原始数据
    data_file = open(data_file_name, 'rb')
    data = data_file.read()
    data_file.close()

    # 读取待验证的签名数据
    signature_file = open(signature_file_name, 'rb')
    signature = signature_file.read()
    signature_file.close()

    # 从PEM文件中读取公钥数据
    key_file = open(public_key_file_name, 'rb')
    key_data = key_file.read()
    key_file.close()

    # 从PEM文件数据中加载公钥
    public_key = serialization.load_pem_public_key(
        key_data,
        backend=default_backend()
    )

    # 验证结果，默认为False
    verify_ok = False

    try:
        # 使用公钥对签名数据进行验证
        # 指定填充方式为PKCS1v15
        # 指定hash方式为sha256
        public_key.verify(
            signature,
            data,
            padding.PKCS1v15(),
            hashes.SHA256()
        )
    # 签名验证失败会触发名为InvalidSignature的exception
    except InvalidSignature:
        # 打印失败消息
        print('invalid signature!')
    else:
        # 验证通过，设置True
        verify_ok = True

    # 返回验证结果
    return verify_ok


if __name__ == '__main__':
    data_file = r'data.bin'
    signature_file = r'signature.bin'
    public_key_file = r'Key_pub.pem'

    verify_ok = verify(data_file, signature_file, public_key_file)
    if verify_ok:
        print('verify ok!')
    else:
        print('verify fail!')

运行脚本，对前一节生成的签名数据进行验证，控制台打印”verify ok!”：

$ python3 rsa-verify.py 
verify ok!

2.4 源码下载

点击这里下载本文提到的Python源码：example-rsa-sign.tar.bz2

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OpenSSL和Python实现RSA Key数字签名和验证

1. OpenSSL实现数字签名和验证

1.1 生成私钥

1.2 导出公钥

1.3 准备签名数据

1.4 计算sha256哈希

1.5 私钥签名

1.6 公钥验证

2. Python实现数字签名和验证

2.1 安装cryptography库

2.2 私钥签名

2.3 公钥验证

2.4 源码下载

Python实现字典的key和values的交换

Python实现字典的key和values的交换

python实现AES和RSA加解密的方法

python实现发送和获取手机短信验证码

Python实现对字典分别按键(key)和值(value)进行排序的方法分析

Python实现常见的几种加密算法(MD5，SHA-1，HMAC，DES/AES，RSA和ECC)

OpenSSL和Python实现RSA Key数字签名和验证

Python通过Django实现用户注册和邮箱验证功能代码

采用数字签名RSA或者DSA实现两个linux机器之间使用ssh不需要用户名和密码

python实现AES和RSA加解密的方法