OpenSSL和Python实现RSA Key数字签名和验证

+9、=-09876· 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/（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=1616+0 records in16+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 -raw0000 - 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 ………….01000d0 - 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 Keypub.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 Keypub.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 defaultbackend
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(datafilename, 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.signature2778de7c17b259d8d0a34538622e2338 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 defaultbackend
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(datafilename, 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