RSA 金鑰生成、載入與加解密應用實務

RSA 作為非對稱加密的基本，在資安領域扮演著關鍵角色。理解其金鑰生成、載入、加解密流程至關重要。本文將以 Python cryptography 函式庫示範 RSA 金鑰的實務操作，包含金鑰的生成、儲存、讀取以及如何進行加密和解密。同時，也將探討對稱加密與非對稱加密的差異、數字簽章的應用，以及與 TLS/SSL、HTTPS 的關聯。這些技術在保障網路安全和資料完整性方面至關重要，是現代軟體開發人員必備的知識。

Fernet 的優點

Fernet 有以下優點：

安全：Fernet 使用 AES-128-CBC 進行加密，能夠確保資料的機密性。
簡單：Fernet 的使用方法簡單，易於理解和實作。
驗證：Fernet 使用 HMAC-SHA256 進行驗證，能夠確保資料的完整性。

MultiFernet

MultiFernet 是 Fernet 的一種變體，允許使用多個金鑰進行加密和解密。這使得在金鑰更新或更換時，可以使用舊的金鑰進行解密，而不需要重新加密所有的資料。

什麼是對稱加密？

對稱加密是一種加密方法，使用相同的金鑰進行加密和解密。這種方法的優點是速度快、效率高，但缺點是需要安全地儲存和傳遞金鑰。

什麼是非對稱加密？

非對稱加密是一種加密方法，使用一對金鑰進行加密和解密，其中一把是公開的，另一把是私有的。這種方法的優點是可以安全地傳遞公開金鑰，而不需要擔心私有金鑰的安全性。

什麼是數字簽名？

數字簽名是一種技術，使用私有金鑰生成一個數字碼，該碼可以用於驗證訊息的真實性和完整性。這種技術可以用於確保訊息的不可否認性和完整性。

AES

AES（Advanced Encryption Standard）是一種對稱加密演算法，廣泛用於各種應用中。它的優點是速度快、效率高、安全性好。

什麼是 CBC 模式？

CBC（Cipher Block Chaining）模式是一種分塊加密模式，使用前一塊的加密結果作為下一塊的初始向量。這種模式可以提高加密的安全性。

什麼是 GCM 模式？

GCM（Galois/Counter Mode）模式是一種分塊加密模式，使用計數器作為初始向量。這種模式可以提高加密的安全性和效率。

什麼是 IV？

IV（Initialization Vector）是一個用於初始化加密演算法的向量。它可以提高加密的安全性和不可預測性。

什麼是 Fernet 的限制？

Fernet 的限制包括：

只能使用 AES-128-CBC 進行加密。
只能使用 HMAC-SHA256 進行驗證。
不支援其他加密演算法或模式。

什麼是對稱加密的限制？

對稱加密的限制包括：

需要安全地儲存和傳遞金鑰。
如果金鑰被洩露，所有使用該金鑰的資料都可能被解密。

什麼是非對稱加密的限制？

非對稱加密的限制包括：

速度慢於對稱加密。
需要更大的金鑰尺寸來達到相同的安全性。

什麼是數字簽名的限制？

數字簽名的限制包括：

需要一個可靠的時間戳記機制來防止重播攻擊。
需要一個可靠的認證機制來確保簽名者的身份。

5.2 RSA：一種經典的非對稱加密演算法

RSA是一種廣泛使用的非對稱加密演算法，於1970年代末期由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman發明。其名稱來自三位發明者的姓氏首字母。

生成RSA金鑰

為了生成RSA金鑰，我們可以使用OpenSSL工具。以下命令生成了一個3072位元的RSA私鑰：

openssl genpkey -algorithm RSA -out private_key.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:3072

這將生成一個名為private_key.pem的私鑰檔案。

提取公鑰

從私鑰中，我們可以提取出公鑰：

openssl rsa -pubout -in private_key.pem -out public_key.pem

這將生成一個名為public_key.pem的公鑰檔案。

金鑰格式

OpenSSL工具生成的金鑰檔案是以PEM（Privacy-Enhanced Mail）格式儲存的。PEM是一種標準的金鑰格式，其檔案內容以-----BEGIN開頭，結尾為-----END。

設定金鑰許可權

為了確保金鑰安全，我們需要設定適當的許可權。私鑰檔案應該只有擁有者才能讀寫，而公鑰檔案可以讓任何人讀取：

chmod 600 private_key.pem
chmod 644 public_key.pem

使用Python生成RSA金鑰

我們也可以使用Python的cryptography函式庫來生成RSA金鑰：

from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives import serialization
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa

private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=3072,
    backend=default_backend()
)

public_key = private_key.public_key()

這將生成一個私鑰和公鑰物件。

儲存金鑰

最後，我們可以將金鑰儲存到檔案中：

with open('private_key.pem', 'wb') as f:
    f.write(private_key.private_bytes(
        encoding=serialization.Encoding.PEM,
        format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,
        encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()
    ))

with open('public_key.pem', 'wb') as f:
    f.write(public_key.public_bytes(
        encoding=serialization.Encoding.PEM,
        format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
    ))

這將儲存私鑰和公鑰到檔案中。

生成 RSA 金鑰對並儲存

首先，我們需要生成一對 RSA 金鑰，包括私鑰和公鑰。這可以透過以下 Python 程式碼實作：

from cryptography.hazmat.primitives import serialization
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa

# 生成私鑰
private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048,
)

# 取得公鑰
public_key = private_key.public_key()

# 將私鑰序列化為 PEM 格式
private_bytes = private_key.private_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,
    encryption_algorithm=serialization.NoEncryption(),
)

# 將公鑰序列化為 PEM 格式
public_bytes = public_key.public_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo,
)

# 寫入私鑰和公鑰到檔案
with open('private_key.pem', 'wb') as private_file:
    private_file.write(private_bytes)

with open('public_key.pem', 'wb') as public_file:
    public_file.write(public_bytes)

從檔案載入 RSA 金鑰對

接下來，我們可以從檔案中載入已經生成的 RSA 金鑰對：

from cryptography.hazmat.primitives import serialization
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa

# 載入私鑰
with open('private_key.pem', 'rb') as private_file:
    loaded_private_key = serialization.load_pem_private_key(
        private_file.read(),
        password=None,
    )

# 載入公鑰
with open('public_key.pem', 'rb') as public_file:
    loaded_public_key = serialization.load_pem_public_key(
        public_file.read(),
    )

使用 RSA 進行加密和解密

現在，我們可以使用 RSA 金鑰對進行加密和解密：

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

# 設定加密模式為 OAEP
padding_config = padding.OAEP(
    mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
    algorithm=hashes.SHA256(),
    label=None,
)

# 原始訊息
plaintext = b'message from Alice to Bob'

# 使用公鑰加密訊息
ciphertext = loaded_public_key.encrypt(
    plaintext=plaintext,
    padding=padding_config,
)

# 使用私鑰解密訊息
decrypted_by_private_key = loaded_private_key.decrypt(
    ciphertext=ciphertext,
    padding=padding_config,
)

# 驗證解密結果
assert decrypted_by_private_key == plaintext

注意：在實際應用中，應該使用安全的隨機數生成器生成金鑰對，並且應該妥善儲存私鑰以防止洩露。

第五章：非對稱式加密

非對稱式加密是一種加密技術，使用一對金鑰：公開金鑰和私人金鑰。公開金鑰用於加密資料，而私人金鑰則用於解密資料。這種加密方式可以確保資料的機密性和完整性。

5.3：不可否認性

不可否認性是指確保資料的真實性和來源的能力。非對稱式加密可以用於實作不可否認性，方法是使用私人金鑰加密資料，然後使用公開金鑰解密資料。如果資料被篡改，則解密後的資料將不正確。

5.3.1：數位簽章

數位簽章是一種使用非對稱式加密的技術，用於確保資料的真實性和來源。數位簽章使用私人金鑰加密資料，然後使用公開金鑰解密資料。這種技術可以確保資料的機密性和完整性。

下面是使用Python實作的RSA數位簽章演算法：

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

message = b'from Bob to Alice'

padding_config = padding.PSS(
    mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
    salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
)

private_key = load_rsa_private_key()

signature = private_key.sign(
    message,
    padding_config,
    hashes.SHA256()
)

這段程式碼使用RSA演算法和SHA-256雜湊函式生成數位簽章。

5.3.2：使用RSA進行資料簽署

下面是使用RSA演算法進行資料簽署的範例：

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

message = b'from Bob to Alice'

padding_config = padding.PSS(
    mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
    salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
)

private_key = load_rsa_private_key()

signature = private_key.sign(
    message,
    padding_config,
    hashes.SHA256()
)

這段程式碼使用RSA演算法和SHA-256雜湊函式生成數位簽章。

圖表翻譯：

下圖展示了使用RSA演算法進行資料簽署的流程：

生成隨機資料
使用私人金鑰加密資料
使用公開金鑰解密資料

  flowchart TD
    A[生成隨機資料] --> B[使用私人金鑰加密資料]
    B --> C[使用公開金鑰解密資料]

這個流程可以確保資料的機密性和完整性。

驗證數字簽章

當 Alice 收到 Bob 的訊息和數字簽章後，她需要驗證簽章以確保訊息的真實性和完整性。以下是驗證過程：

步驟 1：計算訊息的雜湊值

Alice 首先計算訊息的雜湊值，使用 SHA-256 雜湊函式。

步驟 2：解密簽章

Alice 使用 Bob 的公鑰解密簽章，得到原始的雜湊值。

步驟 3：比較雜湊值

Alice 比較她計算出的雜湊值與從簽章中解密出的雜湊值。如果兩個雜湊值相同，則簽章有效，Alice 可以信任這個訊息。

以下是 Python 程式碼實作：

import json
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding
from cryptography.exceptions import InvalidSignature

def receive(inbound_msg_from_bob):
    signed_msg = json.loads(inbound_msg_from_bob)
    message = bytes(signed_msg['message'])
    signature = bytes(signed_msg['signature'])

    padding_config = padding.PSS(
        mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
        salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
    )

    public_key = load_rsa_public_key()
    try:
        public_key.verify(
            signature,
            message,
            padding_config,
            hashes.SHA256()
        )
    except InvalidSignature:
        print("Invalid signature")
    else:
        print("Signature is valid")

在這個程式碼中，load_rsa_public_key() 函式負責載入 Bob 的公鑰。verify() 方法使用 PSS 填充方案和 SHA-256 雜湊函式驗證簽章。如果簽章有效，則方法不會丟擲異常；否則，會丟擲 InvalidSignature 異常。

Mermaid 圖表：驗證數字簽章

  flowchart TD
    A[收到訊息和簽章] --> B[計算訊息的雜湊值]
    B --> C[解密簽章]
    C --> D[比較雜湊值]
    D --> E[簽章有效]
    E --> F[信任訊息]
    D --> G[簽章無效]
    G --> H[不信任訊息]

圖表翻譯：

此圖表展示了 Alice 驗證數字簽章的過程。首先，她收到 Bob 的訊息和簽章。然後，她計算訊息的雜湊值，解密簽章，比較兩個雜湊值。如果簽章有效，則她信任這個訊息；否則，她不信任這個訊息。

非對稱密碼學的應用：數字簽章與驗證

在非對稱密碼學中，數字簽章是一種確保訊息真實性和完整性的重要機制。它允許傳送者使用自己的私鑰對訊息進行簽署，然後接收者可以使用傳送者的公鑰來驗證簽章的有效性。

數字簽章的原理

數字簽章的過程通常涉及以下步驟：

訊息摘要：首先，對要傳送的訊息進行摘要，產生一個固定長度的雜湊值（Hash Value）。
私鑰簽署：然後，使用傳送者的私鑰對這個雜湊值進行加密，產生數字簽章。
公鑰驗證：接收者收到訊息和數字簽章後，使用傳送者的公鑰對數字簽章進行解密，得到原雜湊值。
驗證：最後，接收者對收到的訊息再次計算雜湊值，並將其與從數字簽章中解密出的雜湊值進行比較。如果兩者匹配，則證明訊息在傳輸過程中沒有被篡改。

根據RSA的數字簽章

RSA是一種常用的非對稱密碼演算法，也可以用於數字簽章。以下是根據RSA的數字簽章過程：

from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding

# 生成RSA金鑰對
private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048,
    backend=default_backend()
)
public_key = private_key.public_key()

# 要傳送的訊息
message = b'Hello, World!'

# 簽署訊息
signature = private_key.sign(
    message,
    padding.PSS(
        mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
        salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
    ),
    hashes.SHA256()
)

# 驗證簽章
try:
    public_key.verify(
        signature,
        message,
        padding.PSS(
            mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
            salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
        ),
        hashes.SHA256()
    )
    print("簽章有效")
except:
    print("簽章無效")

根據橢圓曲線密碼學的數字簽章

橢圓曲線密碼學（ECC）是一種根據數論難題的公鑰密碼體系，相比RSA，ECC具有更高的安全性和更小的金鑰尺寸。以下是根據ECC的數字簽章過程：

from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import ec

# 生成ECC金鑰對
private_key = ec.generate_private_key(ec.SECP384R1(), default_backend())
public_key = private_key.public_key()

# 要傳送的訊息
message = b'Hello, World!'

# 簽署訊息
signature = private_key.sign(
    message,
    ec.ECDSA(hashes.SHA256())
)

# 驗證簽章
try:
    public_key.verify(
        signature,
        message,
        ec.ECDSA(hashes.SHA256())
    )
    print("簽章有效")
except:
    print("簽章無效")

網路安全：Transport Layer Security（TLS）概覽

Transport Layer Security（TLS）是一種廣泛使用的網路安全協定，負責確保網路通訊的安全性和完整性。TLS 的前身是 Secure Sockets Layer（SSL），但由於 SSL 已經不再安全，目前已被 TLS 取代。

TLS、SSL 和 HTTPS 的區別

SSL（Secure Sockets Layer）：是一種早期的網路安全協定，已經不再安全。
TLS（Transport Layer Security）：是一種更新的網路安全協定，取代了 SSL，提供更好的安全性和效能。
HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure）：是一種將 HTTP 通訊協定封裝在 TLS 或 SSL 中的安全通訊協定，提供加密和身份驗證的功能。

TLS 的工作原理

TLS 的工作原理涉及以下幾個步驟：

連線確認：客戶端和伺服器端建立連線，並交換彼此的憑證和加密引數。
加密：客戶端和伺服器端使用分享的秘密金鑰對資料進行加密。
身份驗證：客戶端和伺服器端使用憑證和數字簽章進行身份驗證。

TLS 的優點

保證資料完整性：TLS 可以確保資料在傳輸過程中不會被竄改或破壞。
保證資料機密性：TLS 可以確保資料在傳輸過程中不會被擷取或竊聽。
提供身份驗證：TLS 可以確保客戶端和伺服器端的身份是真實的。

實踐 TLS

要實踐 TLS，需要以下幾個步驟：

取得憑證：申請並取得憑證，憑證包含了公開金鑰和身份資訊。
組態伺服器：組態伺服器以支援 TLS，並設定憑證和加密引數。
更新客戶端：更新客戶端以支援 TLS，並設定憑證和加密引數。

資料安全在數位時代的重要性日益凸顯，非對稱加密技術與 TLS/SSL 協定的應用成為保障網路安全的基本。本文深入探討了 Fernet、MultiFernet 的特性與限制，並詳細闡述了對稱加密、非對稱加密、數字簽章等核心概念，同時也分析了 RSA 和 ECC 等非對稱加密演算法的實作細節，以及在 TLS/SSL 協定中的應用。技術限制深析顯示，對稱加密的金鑰管理和非對稱加密的效能瓶頸仍是待突破的挑戰。而整合價值分析則表明，將這些加密技術與 TLS/SSL 協定結合，能有效提升網路通訊的安全性。展望未來，隨著量子計算的發展，後量子密碼學將成為新的研究熱點，而更輕量級、更高效的加密演算法也將不斷湧現，推動網路安全技術的持續演進。玄貓認為，掌握這些密碼學基礎知識和實務技巧，對於構建更安全的網路環境至關重要。

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。