Python 以 PyCryptodome 實作 RSA 非對稱式加密方法教學與範例

介紹如何在 Python 中使用 PyCryptodome 模組產生 RSA 金鑰，並對資料進行加密與解密。

Python 的 PyCryptodome 模組提供了各種加密演算法工具，其安裝方式請參考另外一篇 PyCryptodome 實作 AES 對稱式加密方法教學。

產生 RSA 金鑰

在使用 RSA 加密演算法加密資料之前，要先建立一組 RSA 金鑰，以下是使用 PyCryptodome 模組產生一組 2048 位元 RSA 金鑰的範例。

from Crypto.PublicKey import RSA

# 產生 2048 位元 RSA 金鑰
key = RSA.generate(2048)

# RSA 私鑰
privateKey = key.export_key()
with open("private.pem", "wb") as f:
    f.write(privateKey)

# RSA 公鑰
publicKey = key.publickey().export_key()
with open("public.pem", "wb") as f:
    f.write(publicKey)

以下是讀取 RSA 金鑰的方法。

from Crypto.PublicKey import RSA

# 讀取 RSA 金鑰
encodedKey = open("private.pem", "rb").read()

# 解密 RSA 金鑰
key = RSA.import_key(encodedKey)

# 輸出 RSA 私鑰
print(key.export_key().decode('utf-8'))

# 輸出 RSA 公鑰
print(key.publickey().export_key().decode('utf-8'))

加密保護 RSA 金鑰

重要的 RSA 私鑰通常會再加上一層密碼保護，再將其儲存於檔案中，以降低金鑰外洩的風險。

from Crypto.PublicKey import RSA

# 保護金鑰的密碼
secretCode = "secret#code"

# 產生 2048 位元 RSA 金鑰
key = RSA.generate(2048)

# 以密碼加密保護 RSA 金鑰
encryptedKey = key.export_key(passphrase=secretCode, pkcs=8,
                              protection="scryptAndAES128-CBC")

# 將 RSA 金鑰寫入檔案
with open("private.pem", "wb") as f:
    f.write(encryptedKey)

以下是從檔案中將加密保護的 RSA 金鑰讀取出來之後，解密取出金鑰的方法：

from Crypto.PublicKey import RSA

# 保護金鑰的密碼
secretCode = "secret#code"

# 讀取 RSA 金鑰
encodedKey = open("private.pem", "rb").read()

# 解密 RSA 金鑰
key = RSA.import_key(encodedKey, passphrase=secretCode)

RSA 金鑰加密資料

由於 AES 加密演算法的效率遠高於 RSA 加密演算法，所以實務上會先隨機產生一組 AES 金鑰用於加密資料，再以 RSA 金鑰加密 AES 金鑰，最後將加密之後的 AES 金鑰以及密文等資料都儲存下來。

以下是使用 RSA 公鑰搭配 AES 金鑰加密資料的範例：

from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Random import get_random_bytes
from Crypto.Cipher import AES, PKCS1_OAEP

# 要加密的資料（必須為 bytes）
data = b'My secret data.'

# 讀取 RSA 公鑰
publicKey = RSA.import_key(open("public.pem").read())

# 建立隨機的 AES Session 金鑰
sessionKey = get_random_bytes(16)

# 以 RSA 金鑰加密 Session 金鑰
cipherRSA = PKCS1_OAEP.new(publicKey)
encSessionKey = cipherRSA.encrypt(sessionKey)

# 以 AES Session 金鑰加密資料
cipherAES = AES.new(sessionKey, AES.MODE_EAX)
ciphertext, tag = cipherAES.encrypt_and_digest(data)

# 將加密結果寫入檔案
with open("encrypted_data.bin", "wb") as f:
    f.write(encSessionKey)
    f.write(cipherAES.nonce)
    f.write(tag)
    f.write(ciphertext)

RSA 金鑰解密資料

以下是用 RSA 私鑰將 AES 金鑰解開之後，再以 AES 金鑰解開密文的範例。

from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Cipher import AES, PKCS1_OAEP

# 讀取 RSA 私鑰
privateKey = RSA.import_key(open("private.pem").read())

# 從檔案讀取加密資料
with open("encrypted_data.bin", "rb") as f:
    encSessionKey = f.read(privateKey.size_in_bytes())
    nonce = f.read(16)
    tag = f.read(16)
    ciphertext = f.read(-1)

# 以 RSA 金鑰解密 Session 金鑰
cipherRSA = PKCS1_OAEP.new(privateKey)
sessionKey = cipherRSA.decrypt(encSessionKey)

# 以 AES Session 金鑰解密資料
cipherAES = AES.new(sessionKey, AES.MODE_EAX, nonce)
data = cipherAES.decrypt_and_verify(ciphertext, tag)

# 輸出解密後的資料
print(data.decode("utf-8"))

My secret data.

參考資料：PyCryptodome、Nitratine