Python skaitmeniniai parašai: išsamus viešojo rakto kriptografijos vadovas

Šiandieniniame tarpusavyje susijusiame pasaulyje saugaus ryšio ir duomenų vientisumo poreikis yra itin svarbus. Skaitmeniniai parašai, panaudojantys viešojo rakto kriptografijos galią, suteikia tvirtą mechanizmą, užtikrinantį skaitmeninių dokumentų ir pranešimų autentiškumą bei neatsisakymą. Šis išsamus vadovas gilinsis į skaitmeninių parašų koncepciją, tirs jų diegimą Python ir pabrėš jų pasaulines taikymo sritis.

Kas yra skaitmeniniai parašai?

Skaitmeninis parašas yra kriptografinis metodas, naudojamas skaitmeninio pranešimo ar dokumento autentiškumui ir vientisumui patikrinti. Jis užtikrina, kad dokumentas kilęs iš nurodyto siuntėjo ir nebuvo pakeistas nuo parašo pridėjimo. Tai pasiekiama naudojant viešojo rakto kriptografiją – sistemą, apimančią matematiškai susijusių raktų porą: privatų raktą (kurį pasirašantysis laiko paslaptyje) ir viešąjį raktą (kuris yra prieinamas visiems).

Įsivaizduokite tai kaip ranka rašytą parašą, bet skaitmeniniam pasauliui. Kaip fizinis parašas ant sutarties įrodo, kad pasirašantysis sutinka su sąlygomis, taip skaitmeninis parašas įrodo, kad skaitmeninis dokumentas kilęs iš konkretaus asmens ar subjekto ir nebuvo sugadintas.

Kaip veikia skaitmeniniai parašai: pagrindai

Skaitmeninio parašo kūrimo ir patvirtinimo procesas apima kelis pagrindinius žingsnius:

• Maišymas (Hashing): Pranešimas arba dokumentas pirmiausia apdorojamas naudojant kriptografinę maišos funkciją (pvz., SHA-256). Maišos funkcija generuoja unikalų, fiksuoto dydžio duomenų "piršto atspaudą". Šis piršto atspaudas vadinamas pranešimo santrauka. Net menkiausias originalaus pranešimo pakeitimas sukels drastiškai skirtingą maišą.
• Pasirašymas: Pranešimo santrauka tada užšifruojama naudojant pasirašiusiojo privatų raktą. Ši užšifruota maiša yra skaitmeninis parašas.
• Patvirtinimas: Norėdami patvirtinti parašą, gavėjas naudoja pasirašiusiojo viešąjį raktą (prieinamą visiems), kad iššifruotų skaitmeninį parašą. Taip gaunama originali pranešimo santrauka. Gavėjas taip pat savarankiškai apskaičiuoja originalaus pranešimo santrauką. Jei abi pranešimo santraukos sutampa, parašas yra galiojantis, patvirtinant, kad pranešimas kilo iš atitinkamo privataus rakto savininko ir kad pranešimas nebuvo pakeistas.

Šios sistemos saugumas priklauso nuo to, kad yra skaičiuojamai neįmanoma išvesti privataus rakto iš viešojo rakto.

Python ir skaitmeniniai parašai: diegimas

Python siūlo kelias bibliotekas, kurios supaprastina skaitmeninių parašų diegimą. Populiariausios yra:

• cryptography biblioteka: Galinga ir universali biblioteka, siūlanti žemo ir aukšto lygio kriptografinius receptus. Ji palaiko įvairius parašų algoritmus ir raktų tipus.
• PyCryptodome: Prižiūrima senesnės pycrypto bibliotekos atšaka, teikianti išsamų kriptografinių primityvų rinkinį, įskaitant parašų generavimą ir patvirtinimą.

Panagrinėkime praktinius pavyzdžius, naudojant cryptography biblioteką.

1 pavyzdys: RSA skaitmeninis parašas

RSA (Rivest–Shamir–Adleman) yra plačiai naudojamas viešojo rakto algoritmas šifravimui ir skaitmeniniams parašams. Štai kaip generuoti RSA raktų porą, pasirašyti pranešimą ir patvirtinti parašą naudojant cryptography biblioteką:

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

# 1. Generate an RSA key pair
private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048,
    backend=default_backend()
)
public_key = private_key.public_key()

# 2. Create the message
message = b"This is the message to be signed."

# 3. Sign the message
signer = private_key.sign(
    message,
    padding.PKCS1v15(), # or padding.PSS()
    hashes.SHA256()
)

# 4. Verify the signature
try:
    public_key.verify(
        signer,
        message,
        padding.PKCS1v15(),
        hashes.SHA256()
    )
    print("Signature is valid!")
except InvalidSignature:
    print("Signature is invalid!")
            

              
                Copy
              
            
          

Paaiškinimas:

• Mes generuojame RSA raktų porą (private_key ir public_key) su 2048 bitų rakto dydžiu, naudojant numatytąjį backend'ą.
• message yra baitų eilutė.
• Privataus rakto metodas sign() užšifruoja pranešimo maišą (naudojant SHA256 ir PKCS1v15 užpildymą), kad sukurtų parašą.
• Viešojo rakto metodas verify() iššifruoja parašą ir palygina jį su pranešimo maiša. Jei jie sutampa, parašas yra galiojantis. Priešingu atveju, išmetamas InvalidSignature išimtis.

2 pavyzdys: DSA skaitmeninis parašas

DSA (Digital Signature Algorithm) yra dar vienas populiarus algoritmas, naudojamas skaitmeniniams parašams. Jis dažnai pasirenkamas dėl savo našumo charakteristikų.

            
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import dsa, utils
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.exceptions import InvalidSignature

# 1. Generate DSA key pair
private_key = dsa.generate_private_key(
    key_size=2048, 
    backend=default_backend()
)
public_key = private_key.public_key()

# 2. Create the message
message = b"This is another message to be signed using DSA."

# 3. Sign the message
signature = private_key.sign(
    message,
    hashes.SHA256()
)

# 4. Verify the signature
try:
    public_key.verify(
        signature,
        message,
        hashes.SHA256()
    )
    print("Signature is valid!")
except InvalidSignature:
    print("Signature is invalid!")

            

              
                Copy
              
            
          

Paaiškinimas:

• Mes generuojame DSA raktų porą. DSA raktai neturi „viešojo eksponento“ parametro, kaip RSA.
• Metodas sign() pasirašo pranešimą su SHA256, pasirašymui naudojamas privatus raktas.
• Metodas verify() naudoja viešąjį raktą, kad patvirtintų parašą prieš pranešimą.

3 pavyzdys: ECDSA skaitmeninis parašas

ECDSA (Eliptinės kreivės skaitmeninio parašo algoritmas) yra modernus ir efektyvus parašo algoritmas, kuris užtikrina stiprų saugumą su trumpesniais raktų ilgiais. Jis ypač tinka apribotoms aplinkoms, tokioms kaip mobilieji ir daiktų interneto įrenginiai.

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

# 1. Generate an ECDSA key pair
private_key = ec.generate_private_key(
    ec.SECP256R1(), # or ec.SECP384R1(), etc.
    default_backend()
)
public_key = private_key.public_key()

# 2. Create the message
message = b"This message is signed using ECDSA."

# 3. Sign the message
signature = private_key.sign(
    message,
    ec.ECDSA(hashes.SHA256())
)

# 4. Verify the signature
try:
    public_key.verify(
        signature,
        message,
        ec.ECDSA(hashes.SHA256())
    )
    print("Signature is valid!")
except InvalidSignature:
    print("Signature is invalid!")

            

              
                Copy
              
            
          

Paaiškinimas:

• Mes generuojame ECDSA raktų porą, naudodami konkrečią elipsinę kreivę (pvz., SECP256R1). Kreivės pasirinkimas turi įtakos saugumo lygiui ir našumui.
• Metodas sign() sukuria parašą, naudodamas privatų raktą ir SHA256.
• Metodas verify() patikrina parašą, naudodamas atitinkamą viešąjį raktą.

Teisingo algoritmo pasirinkimas

Algoritmo (RSA, DSA ar ECDSA) pasirinkimas priklauso nuo kelių veiksnių:

• Saugumo reikalavimai: Įsitikinkite, kad algoritmas ir rakto dydis atitinka reikiamą saugumo lygį jūsų programai. Kreipkitės į patikimus saugumo standartus (pvz., NIST gaires).
• Našumas: ECDSA paprastai siūlo geresnį našumą nei RSA, ypač įrenginiuose su ribotais resursais. DSA paprastai yra greitesnis už RSA.
• Rakto dydis: ECDSA užtikrina lygiavertį saugumą su trumpesniais raktų ilgiais, o tai gali sumažinti saugojimo ir pralaidumo reikalavimus.
• Suderinamumas: Apsvarstykite algoritmo suderinamumą su esamomis sistemomis ir standartais.

Daugeliui šiuolaikinių programų ECDSA su tvirta elipsine kreive (pvz., SECP256R1) dažnai yra geras pasirinkimas dėl saugumo ir našumo balanso.

Praktinės skaitmeninių parašų taikymo sritys

Skaitmeniniai parašai turi platų taikymo spektrą įvairiose pramonės šakose ir pasauliniuose kontekstuose:

• Kodo pasirašymas: Programinės įrangos kūrėjai naudoja skaitmeninius parašus savo kodui pasirašyti, užtikrindami vartotojus, kad programinė įranga yra iš patikimo šaltinio ir nebuvo pakeista. Tai yra itin svarbu siekiant užkirsti kelią kenkėjiškos programinės įrangos platinimui. Pavyzdžiai apima „Android“ programų, „Windows“ vykdomųjų failų ir „macOS“ programų pasirašymą.
• Dokumentų pasirašymas: Skaitmeniniai parašai gali būti naudojami elektroniniams dokumentams, tokiems kaip sutartys, sąskaitos faktūros ir teisiniai dokumentai, pasirašyti, suteikiant teisiškai įpareigojantį autentiškumo ir vientisumo patvirtinimą. Tai gali supaprastinti darbo eigą ir sumažinti popieriaus suvartojimą. Tai taikoma teisinėse sistemose visame pasaulyje.
• El. pašto saugumas: Skaitmeniniai parašai gali būti naudojami el. laiškams skaitmeniniu būdu pasirašyti, patvirtinant siuntėjo tapatybę ir užtikrinant, kad turinys nebuvo pakeistas perdavimo metu. Šiam tikslui naudojami standartai, tokie kaip S/MIME (Secure/Multipurpose Internet Mail Extensions). Tai padidina el. pašto saugumą asmenims ir organizacijoms visame pasaulyje.
• SSL/TLS sertifikatai: Skaitmeniniai parašai yra pagrindinė SSL/TLS (Secure Sockets Layer/Transport Layer Security) sertifikatų dalis, naudojama žiniatinklio srautui apsaugoti ir pasitikėjimui tarp žiniatinklio serverio ir žiniatinklio naršyklės užtikrinti. Tai užtikrina, kad svetainės naudotojų duomenys būtų apsaugoti. Šie sertifikatai turi pasaulinę taikymo sritį.
• „Blockchain“ technologija: Skaitmeniniai parašai plačiai naudojami „blockchain“ technologijoje, siekiant autentifikuoti operacijas ir užtikrinti „blockchain“ knygos saugumą. Kiekvieną operaciją pasirašo siuntėjo privatus raktas ir patvirtina kiti.
• Finansinės operacijos: Skaitmeniniai parašai apsaugo finansines operacijas, užtikrindami mokėjimo nurodymų autentiškumą ir vientisumą bei užkertant kelią sukčiavimo veiklai. Jie yra labai svarbūs internetinei bankininkystei ir kitoms finansinėms paslaugoms visame pasaulyje.
• Skaitmeniniai sertifikatai: Skaitmeniniai sertifikatai, dažnai išduodami sertifikavimo institucijų (CA), naudoja skaitmeninius parašus, kad patvirtintų asmenų, organizacijų ir svetainių tapatybę. Šie sertifikatai naudojami saugiam ryšiui, programinės įrangos pasirašymui ir kitiems su saugumu susijusiems tikslams. Tai taikoma visame pasaulyje.

Geroji praktika diegiant skaitmeninius parašus

Norėdami užtikrinti skaitmeninių parašų saugumą ir veiksmingumą, vadovaukitės šiomis gerosios praktikos gairėmis:

• Raktų valdymas: Saugiai saugokite ir apsaugokite savo privačius raktus. Kompromituotas privatus raktas gali leisti atakos vykdytojui suklastoti parašus. Naudokite aparatinės įrangos saugumo modulius (HSM) arba raktų valdymo sistemas (KMS), kad padidintumėte saugumą.
• Algoritmo pasirinkimas: Pasirinkite stiprų ir naujausią parašo algoritmą bei pakankamai didelį rakto dydį. Reguliariai peržiūrėkite ir atnaujinkite algoritmus, remdamiesi pramonės standartais ir saugumo rekomendacijomis.
• Maišymas: Naudokite stiprią kriptografinę maišos funkciją (pvz., SHA-256 arba SHA-384). Venkite pasenusių ar silpnų maišos funkcijų.
• Kodo saugumas: Rašykite saugų kodą, kad išvengtumėte pažeidžiamumų, tokių kaip buferio perpildymai ir šalutinių kanalų atakos. Įdiekite tinkamą įvesties patvirtinimą.
• Reguliarūs atnaujinimai: Atnaujinkite savo kriptografines bibliotekas ir priklausomybes, kad ištaisytumėte bet kokius saugumo pažeidžiamumus.
• Sertifikavimo institucijos (CA) pasitikėjimas: Kai pasikliaujate skaitmeniniais sertifikatais, įsitikinkite, kad sertifikavimo institucija (CA) yra patikima. Visada patikrinkite sertifikatų grandines.
• Neatsisakymas: Siekiant sustiprinti neatsisakymą, apsvarstykite galimybę naudoti laiko žymėjimo paslaugas, kad būtų pateiktas įrodymas, kada parašas buvo pritaikytas.
• Atitiktis: Užtikrinkite atitiktį atitinkamiems reglamentams ir standartams, susijusiems su skaitmeniniais parašais (pvz., eIDAS Europos Sąjungoje ir kitiems vietiniams teisiniams reikalavimams). Apsvarstykite teisinę konsultaciją dėl skaitmeninių parašų taikymo.

Saugumo aspektai ir švelninimas

Nors skaitmeniniai parašai užtikrina stiprų saugumą, jie nėra visiškai apsaugoti. Galimos grėsmės ir jų švelninimo strategijos apima:

• Rakto kompromitavimas: Jei privatus raktas yra kompromituotas, atakos vykdytojas gali suklastoti parašus. Švelninimas: Naudokite stiprų raktų valdymą, reguliarų raktų rotaciją ir apsvarstykite galimybę naudoti aparatinės įrangos saugumo modulius (HSM).
• Algoritmo pažeidžiamumai: Parašo algoritmo trūkumai gali leisti atakos vykdytojui suklastoti parašus. Švelninimas: Pasirinkite stiprius algoritmus ir reguliariai juos atnaujinkite, remdamiesi saugumo rekomendacijomis.
• Maišos kolizijos: Nors ir retos, maišos kolizijos gali būti išnaudotos sukčiavimo parašams kurti. Švelninimas: Naudokite stiprias maišos funkcijas (SHA-256 ar stipresnes).
• Šalutinių kanalų atakos: Šios atakos išnaudoja diegimo trūkumus, kad išgautų jautrią informaciją (pvz., privatų raktą). Švelninimas: Naudokite saugų kodavimo praktiką ir apsvarstykite galimybę naudoti priemones, tokias kaip pastovaus laiko algoritmai.
• Sertifikato atšaukimas: Jei sertifikatas yra kompromituotas, jį reikia atšaukti. Tai galima patikrinti per sertifikatų atšaukimo sąrašus (CRL) arba internetinio sertifikato būsenos protokolą (OCSP).

Skaitmeninių parašų ateitis

Tikimasi, kad skaitmeninių parašų naudojimas toliau augs, skatinamas didėjančio pasitikėjimo skaitmeniniu ryšiu ir duomenų saugumu. Besivystančios tendencijos ir technologijos apima:

• Kvantiniams kompiuteriams atspari kriptografija: Vykstant kvantinių kompiuterių pažangai, kuriami algoritmai, atsparūs kvantinių kompiuterių atakoms. Jie taip pat tampa svarbūs siekiant užtikrinti ilgalaikį skaitmeninių parašų saugumą.
• Blockchain integracija: Skaitmeniniai parašai išliks kritinė „blockchain“ technologijos dalis, leidžianti atlikti saugias ir skaidrias operacijas.
• Biometrinė autentifikacija: Skaitmeninių parašų derinimas su biometrinės autentifikacijos metodais (pvz., pirštų atspaudų, veido atpažinimu) galėtų užtikrinti dar didesnį saugumą.
• Padidėjusi automatizacija: Skaitmeninių parašų procesų automatizavimas, naudojant API ir debesies paslaugas, taps vis labiau paplitęs, leisdamas lengviau juos pritaikyti ir valdyti.

Išvada

Skaitmeniniai parašai yra esminė saugumo priemonė skaitmeninių duomenų autentiškumui ir vientisumui patvirtinti. Python kriptografijos bibliotekos suteikia tvirtas priemones skaitmeniniams parašams diegti, naudojant įvairius algoritmus. Supratimas apie šiame vadove aptartus principus, diegimo detales ir geriausią saugumo praktiką gali padėti jums veiksmingai apsaugoti savo ryšius ir duomenis šiuolaikinėje skaitmeninėje aplinkoje. Būdami informuoti apie naujas technologijas ir saugumo grėsmes, galite užtikrinti nuolatinį savo skaitmeninio turto vientisumą ir saugumą pasauliniu mastu.