python实现对称加密、数字签名、数字证书颁发

一.开发目的：

理解开源密码库实现的基本架构，熟悉对称算法的加解密函数封装与调用，并能能够利用开源设计接口进行二次封装，并实现一个界面友好，功能正确的采用对称算法的文件加解密工具。

二.开发环境：

• 硬件环境：处理器：Intel®Core™i5-1035G1 CPU @1.00GHz 1.19GHz2?
• 软件环境：操作系统：windows 10操作系统开发工具：python3.9 + pycharm2021.2.1

三.开发步骤和重点代码介绍：

（1）确定开发工具：

我通过仔细阅读openssl的源码之后，发现python中关于文件加解密的库crypto和cryptography在底层都是用openssl实现的文件加解密，我恰好对python比较熟悉，就决定用python实现。

（2）UI设计：

在python中，thinter库是一个比较简单好用的UI库，在本次实验中，我的UI都是用这个库完成的。比如程序中涉及的所有文件路径的读取，我都是从UI界面直接进行读取的，最终程序界面如下：

（3）使用AES-CBC模式实现对于任意文件的加密：

AES为分组加密算法，把明文每128位分成一组，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。如果说明文的分组不够128位，需要填充。这里我的密钥选择256位的，初始向量IV是128位的。

经分析，我们的密钥不能从系统直接随机产生后，便开始对文件进行加密，因为我们还要考虑到用户口令。所以在这里，我通过将系统产生的256位的随机密钥和用户输入的口令拼接，然后对它们进行sha256的哈希得到256位的随机加密密钥：

因为要实现对于任意文件的加密，所以程序对文件是以二进制形式读取的，然后对读取到的二进制文件进行AES-CBC加密，完成加密后对加密文件，加密密钥等进行保存：

• 示例：在这里，我对一个桌面上的txt文件进行了加密：在对应的文件夹生成了一下文件：这里保存了本次加密的初始向量，系统和用户口令拼接生成的256位的密钥以及系统产生的256位的随机密钥。这样当用户解密文件的时候，当用户输入口令时，系统会将用户口令和系统产生的随机密钥进行拼接并做sha256的哈希，用生成的密钥进行解密。下面是加密之后的文件内容：如果是图片加密的话，则显示无法查看：

（4）对加密的文件进解密：

文件解密，我们要选择要解密的文件，然后输入用户口令，选择要保存的文件夹，如果解密成功，页面会显示解密成功，如果是用户口令错误，则会显示口令错误。

这里选择之前加密的图片文件，显示解密成功：

在对应的文件夹下生成了如下文件，并可以查看：

（5）数字证书的颁发：

数字证书通过可信任的证书颁发机构，保证了通信双方的身份认证，也解决了公钥分发问题。数字证书里面包括颁发者的信息，被颁发者的公钥信息、身份信息、证书的序列号、证书的签名算法以及该数字证书的有效期等等。在本次实验中，我才用了自己给自己颁发数字证书的模式，来研究数字证书。

在python的cryptography库中的x509实现了数字证书的颁发。在UI界面，我们需要申请人的身份信息以及公钥信息，而我们自己的私钥信息已经被写入到程序中，无须UI输入。

首先读取到用户的公钥信息并生成我们自己的公私钥：

然后利用x509模块，实现数字证书的颁发并保存：

• 示例：下面是我用自己的私钥给LZW颁发的数字证书，页面显示数字证书颁发成功：在相应的文件夹下，我们看到如下文件：其中uni_public_key_pem并不是生成的文件，而是证书申请者的公钥。里面的private_key和public_key是我的临时公私钥，而certificate是生成的数字证书，内容如下：

（6）用私钥实现数字签名：

数字签名采用非对称密码体制，发送者使用自己的私钥对文件进行签名，接收者使用发送者的公钥进行签名验证。数字签名解决了在消息认证码中无法实现的抗抵赖性。如果对一份完整的文件进行数字签名，相当于用私钥进行了加密，如果文件很大，加密时间很长甚至对于某些实时性要求很高的场景不适用，所以我选择对文件的哈希值进行数字签名，在验签阶段，只需要比较哈希值是否一致就可以。文件哈希采用sha256进行哈希。

在数字签名的UI界面，我们需要选择要签名的文件，我的私钥，以及对于签名后的文件要保存的位置。

• 示例：这里我还是选择对上面的txt文件进行数字签名,页面显示签名成功:在相应的文件夹，我们可以看到对应的签名文件：

（7）签名验证：

因为我们在签名的时候是对文件的哈希值进行签名，所以在验签阶段，我们只需要选择原文件（这里的原文件是指签名者连同签名文件一起发过来的文件）和已签名的文件，对原文件进行哈希，对已签名的文件进行解密得到哈希，比较两者的哈希值是否相等即可。

首先需要读取三个文件：签名者的公钥，已签名文件和原文件。

接下来就是验证签名：

这里我们对之前的签名文件进行签名验证，页面显示验证成功：

如果我们选择的文件是不正确的文件，则页面显示签名验证失败：

至此，本次的所有内容已经展示完毕。

四.注意事项：

（1）我觉得可以加入网络通信功能，可利用socket实现。收发双方如果都是利用该软件，那么他们的传输协议等都是一致的，发送者可以将自己的秘密文件发送给对应的接收者。如果以后有时间，我会加入该模块并不断完善系统。

（2）本实验的对于文件加解密，签名等的实现，都是采取固定的模式，如果把这部分设置为用户可选，效果会更好。

（3）目前程序对于用户公私钥都是存放在用户自定义的文件夹，如果能够实现对于存放这些秘密文件的文件夹实现加密，系统便更加完善了。

（4）因源码文件较多，如果需求可到这里下载https://download.csdn.net/download/weixin_63137680/87486255