Rad s Python modulom pyca/cryptography

Python u okviru svoje standardne biblioteke nudi kriptografske funkcije u modulu crypto, ali puno elegantniji za korištenje je modul cryptography (službeno web sjedište) razvijen od strane Python Cryptographic Authorityja.

Modul cryptopgraphy sastoji se od dva sloja:

sloj recepata (engl. recipes layer) kod kojeg nije potrebno izvoditi detaljnu konfiguraciju, odnosno odabir parametara korištenih algoritama
sloj opasnih materijala (engl. hazardous materials layer) koji nudi implementaciju kriptografskih algoritama za koje je nužno dobro poznavati teoriju koja se tih koncepata tiče

Kodiranje znakova

Znakovni nizovi u Pythonu (tip str) dizajnirani su da slijede svakodnevno poimanje pojma teksta. Primjerice, znakovni niz "riječ" je u Pythonu duljine 5 znakova. To je novitet u Pythonu 3.

Želimo li znakovni niz spremiti u datoteku ili poslati putem mreže, vršimo pretvorbu u bajtovni niz (tip bytes). Pritom se posljednji znak u znakovnom nizu kodira korištenjem 2 bajta pa je duljina dobivenog bajtovnog niza 6 znakova.

#!/usr/bin/env python

s = "riječ"
print("Znakovni niz", s, "je tipa", type(s), "i ima duljinu", len(s))

e = s.encode()
print("Bajtovni niz", e, "je tipa", type(e), "i ima duljinu", len(e))

d = e.decode()
print("Znakovni niz", d, "je tipa", type(d), "i ima duljinu", len(d), "i istovjetan je početnom", d == s)

Kodiranje znakova u obliku Base64

Kodiranje u obliku Base64 dostupno je korištenjem modula base64 (dokumentacija) koji je dio standardne biblioteke:

#!/usr/bin/env python

from base64 import b64encode, b64decode

be = b64encode(e)
print("Base64 kodiran bajtovni niz je", be)
bd = b64decode(be)
print("Dekodiran bajtovni niz je", bd, "i istovjetan je početnom", bd == e)

Zadatak

Usporedite duljinu:

znakovnog niza u Pythonu
niza bajtova dobivenih kodiranjem znakovnog niza
znakovnog niza kodiranog metodom Base64

za znakovni niz "Energični, za sve vrste egzistencije sposobni pojedinac najveći je kapital i jedini temelj našeg narodnog kapitala, koji pada samo zato, jer rapidno pada kult moralni, fizički i intelektualni naših energija u pravcu što veće osobne i privatne inicijative." (Matošev citat).

Simetrična kriptografija

Fernet (dokumentacija) je skup recepata za simetričnu enkripciju u modulu crytopgraphy. Ime Fernet dolazi od talijanskog likera popuarnog u Argentini.

Inicijalizacija se izvodi na način:

#!/usr/bin/env python

from cryptography.fernet import Fernet

key = Fernet.generate_key()
print("Stvoreni Fernet ključ je", key, "tipa", type(key), "i duljine", len(key))
f = Fernet(key)

S tako inicijaliziranim modulom šifriranje se izvodi na način:

message = """\
Jezik, čist materinji jezik poznavati je prva i najglavnija dužnost svakog\
pisca. Tko ga ne poznaje, može biti uman, odličan, zanimljiv čovjek, ali\
dobar, uspješan pisac ― nikada. Pokažite mi na jednog jedinog većeg pisca u\
stranom svijetu što griješi proti pravilima svog jezika.\
"""
encoded_message = message.encode()

print("Kodirana poruka je", encoded_message)

encrypted_message = f.encrypt(encoded_message)

print("Šifrirana poruka je", encrypted_message)

Dešifriranje se vrši kodom:

decrypted_message = f.decrypt(encrypted_message)

print("Dešifrirana poruka je", decrypted_message)

decoded_message = decrypted_message.decode()
print("Dekodirana poruka je", decoded_message)

Zadatak

Šifrirajte poruku po želji ključem koji ćete generirati, a zatim pokušajte dešifrirati drugim ključem koji ćete generirati i objasnite zašto to možete ili ne možete učiniti.

Fernetom je moguće šifrirati i dešifrirati korištenjem grupe ključeva. U tom slučaju će dešifriranje biti isprobano svakim od dostupnih ključeva. Primjerice, za dva ključa kod za inicijalizaciju je oblika:

#!/usr/bin/env python

from cryptography.fernet import Fernet, MultiFernet
k1 = Fernet.generate_key()
f1 = Fernet(k1)
k2 = Fernet.generate_key()
f2 = Fernet(k2)
f = MultiFernet([f1, f2])

Šifriranje dvije poruke različitim ključevima vršimo na način:

encrypted_message1 = f1.encrypt(b"Tajna poruka!")
encrypted_message2 = f2.encrypt(b"Isto tako tajna poruka!")

Dešifriranje:

decrypted_message1 = f.decrypt(encrypted_message1)
print(decrypted_message1)

decrypted_message2 = f.decrypt(encrypted_message2)
print(decrypted_message2)

Simetrične ključeve moguće je dodatno zaštiti zaporkom, o čemu se više može naći u službenoj dokumentaciji.

Asimetrična kriptografija

Modul cryptography podržava niz asimetričnih kriptografskih algoritama (dokumentacija), ali mi ćemo se ograničiti na korištenje RSA (dokumentacija).

Stvaranje privatnog ključa veličine 2048 bita i zapis istog u formatu PKCS#8 vrši se na način:

#!/usr/bin/env python

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

private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048,
)

private_key_pem = private_key.private_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,
    encryption_algorithm=serialization.BestAvailableEncryption(b'1234')
)

print("Ključ je", private_key_pem)

Stvaranje pripadnog javnog ključa i pretvorba u format PKCS#1 vrši se na način:

public_key = private_key.public_key()

public_key_pem = public_key.public_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PublicFormat.PKCS1
)

print("Ključ je", public_key_pem)

Ključem možemo potpisivati i šifrirati. Potpisivanje vršimo tajnim ključem na način:

message = """Energični, za sve vrste egzistencije sposobni pojedinac \
najveći je kapital i jedini temelj našeg narodnog kapitala,""".encode()
signature = private_key.sign(
    message,
    padding.PSS(
        mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
        salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
    ),
    hashes.SHA256()
)

print("Potpis je", signature)

Provjeru vršimo javnim ključem na način:

verification = public_key.verify(
    signature,
    message,
    padding.PSS(
        mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
        salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
    ),
    hashes.SHA256()
)

Šifriranje vršimo javnim ključem na način:

short_message = b"0123556789"
ciphertext = public_key.encrypt(
    short_message,
    padding.OAEP(
        mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
        algorithm=hashes.SHA256(),
        label=None
    )
)

print("Šifrirana poruka je", ciphertext)

Dešifriranje vršimo tajnim ključem na način:

plaintext = private_key.decrypt(
    ciphertext,
    padding.OAEP(
        mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
        algorithm=hashes.SHA256(),
        label=None
    )
)

print("Dešifrirana poruka je", plaintext)
print("Poruka je jednaka početnoj?" plaintext == short_message)

Zadatak

Isprobajte potpisati nekoliko poruka i usporedite dobivene potpise pa zatim provjerite koliko je dugačka najduža poruka koju možete potpisati, ako ograničenje postoji.

Zadatak

Isprobajte šifrirati nekoliko poruka i uvjerite se da su rezultati različiti, a zatim provjerite koliko je dugačka najduža poruka koju možete šifrirati, ako ograničenje postoji.

Note

U nastavku ćemo, kao i dosad, šifrirati i dešifrirati unutar jednog procesa bez korištenja međuprocesne komunikacije (primjerice, putem socketa), obzirom da razdvajanje koda na dvije strane koje međusobno komuniciraju komplicira kod i odvlači fokus sa usvajanja načina korištenja kriptografskih algoritama. Međuprocesnu komunikaciju ćemo uvesti na kraju.

Razmjena simetričnih ključeva korištenjem asimetričnog šifriranja

Jedna od tipičnih primjena asimetričnog šifriranja je razmjena ključeva za simetrično šifriranje. Ključ za simetrično šifriranje se bira na jednoj strani:

#!/usr/bin/env python

symmetric_key = "MojPasFido25".encode()

Kako simetrični ključ korišten unutar jedne sesije korisnik ne mora pamtiti, bolje ga je slučajno generirati:

#!/usr/bin/env python

import os

symmetric_key_client = os.urandom(12)

Neka su sad spremljeni tajni ključ u varijabli private_key i javni ključ u varijabli public_key. Na strani koja je generirala simetrični ključ on se šifrira javnim ključem:

# public_key = ...

ciphertext = public_key.encrypt(
    symmetric_key_client,
    padding.OAEP(
        mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
        algorithm=hashes.SHA256(),
        label=None
    )
)

print("Simetrični ključ šifriran javnim ključem je", ciphertext)

Nakon primanja šifriranog ključa na drugoj strani on se dešifrira tajnim ključem na način:

# private_key = ...

symmetric_key_decrypted = private_key.decrypt(
    ciphertext,
    padding.OAEP(
        mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
        algorithm=hashes.SHA256(),
        label=None
    )
)

print("Dešifrirani simetrični ključ je", symmetric_key_decrypted)

Autentificirano šifriranje

U situaciji kad je provedena razmjena ključeva mehanizmom opisanim iznad moguće je iskoristiti bilo koji od algoritama za šifriranje. Specijalno, ako za simetrično šifriranje želimo koristiti AES-GCM, onda ćemo to izvesti na način:

#!/usr/bin/env python

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESGCM

aes_key = AESGCM.generate_key(bit_length=128)
aesgcm = AESGCM(aes_key)

print("AES ključ je", aes_key)

Nakon razmjene ključeva i druga strana bi imala isti ključ. Dodatno nam treba broj koji se koristi samo jednom (engl. number used once, kraće nonce):

import os

nonce = os.urandom(12)

Taj broj možemo razmijeniti na isti način kao ključeve. Šifriranje zatim vršimo na način:

msg = "Ako ljubav nije ludost, onda nije ni ljubav."
encoded_msg = msg.encode()
print("Kodirana poruka je", encoded_msg)

encrypted_msg = aesgcm.encrypt(nonce, encoded_msg, None)
print("Šifrirana poruka je", encrypted_msg)

Posljednji parametar su podaci koji se šalju bez šifriranja za kojima nemamo potrebu pa ih postavljano na None. Dešifriranje se vrši na način:

decrypted_msg = aesgcm.decrypt(nonce, encrypted_msg, None)
print("Dešifrirana poruka j", decrypted_msg)

decoded_msg = decrypted_msg.decode()
print("Dekodirana poruka je", decoded_msg)

Zadatak

Zamijenite AES-GCM za AES-CCM i provjerite koristi li se na isti način.
Zamijenite AES-GCM za ChaCha20Poly1305 i proučite u dokumentaciji koje su razlike kod generiranja simetričnog ključa.

Autentifikacija poruka

Autentifikaciju poruka je moguće vršiti temeljeno na hashiranju ili temeljeno na šifriranju:

Autentifikacija poruka temeljena na hashiranju

HMAC (dokumentacija) inicijaliziramo za svaku poruku na način:

#!/usr/bin/env python

import os
from cryptography.hazmat.primitives import hashes, hmac

key = os.urandom(20)

poruka = "I kada sniježi, a spušta se tama, u pahuljama tišina je sama.".encode()

h = hmac.HMAC(key, hashes.MD5())
h.update(poruka)

hash_poruke = h.finalize()

print("Poruka", poruka, "ima hash", hash_poruke)

Poruka i hash šalju se drugoj strani koja ima ključ dobiven razmjenom ključeva opisanom iznad. Provjera poruke se vrši na način:

h_provjera = hmac.HMAC(key, hashes.MD5())
h_provjera.update(poruka)

h_provjera.verify(hash_poruke)

Zadatak

Iskoristite SHA1 umjesto SHA256 i usporedite duljinu sažetka.
Iskoristite MD5 umjesto SHA256 i usporedite duljinu, a zatim razmislite koliko bi vam pokušaja trebalo da pogodite točan MD5 hash neke poruke u situaciju u kojoj ne znate tajni ključ pa ga ne možete izračunati.

Autentifikacija poruka temeljena na šifriranju

CMAC (dokumentacija) se također inicijalizira za svaku pojedinu poruku na način:

#!/usr/bin/env python

import os
from cryptography.hazmat.primitives import cmac
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.algorithms import AES

key = os.urandom(16)

aes = AES(key)

poruka = "Kad si sretan, i sunce za tobom žuri.".encode()

c = cmac.CMAC(aes)
c.update(poruka)

cmac_poruke = c.finalize()
print("CMAC poruke", poruka, "je", cmac_poruke)

Poruka i njen CMAC šalju se drugoj strani koja ima ključ dobiven razmjenom ključeva opisanom iznad. Provjera poruke se vrši na način:

c_provjera = cmac.CMAC(aes)
c_provjera.update(poruka)

c_provjera.verify(cmac_poruke)

Zadatak

Iskoristite neki drugi algoritam umjesto AES-a, npr. TripleDES, Blowfish ili ChaCha20.

Dvofaktorska autentifikacija i jednokratne zaporke

Dvofaktorska autentifikacija uz standardnu zaporku koristi i jednokratnu zaporku koja se generira prilikom prijave i šalje korisniku drugim kanalom, primjerice e-mailom ili SMS-om. Dva su pristupa stvaranju jednokratnih zaporki:

Jednokratne zaporke temeljene na HMAC-u

Inicijalizacija HOTP-a (dokumentacija) vrši se na način:

#!/usr/bin/env python

import os
from cryptography.hazmat.primitives.twofactor.hotp import HOTP
from cryptography.hazmat.primitives.hashes import SHA1

key = os.urandom(20)

hotp = HOTP(key, 6, SHA1())

Drugi parametar kod HOTP-a je broj znakova koje će generirane zaporke imati. Nakon inicijalizacije moguće je generirati niz jednokratnih zaporki:

hotp_value0 = hotp.generate(0)
hotp_value1 = hotp.generate(1)
hotp_value2 = hotp.generate(75)

print("Jednokratne zaporke su", hotp_value0, hotp_value1, hotp_value2)

Generirane vrijednosti se tada šalju nekim kanalom kojem jedino korisnik koji se prijavljuje ima pristup. Prima se korisnikov unos i provjerava na način:

hotp.verify(hotp_value0, 0)
hotp.verify(hotp_value1, 1)
hotp.verify(hotp_value2, 75)

Zadatak

Provjerite prolaze li HOTP vrijednosti provjeru kad su navedeni pogrešni redni brojevi.
Provjerite možete li generirati i provjeravati HOTP vrijednosti u proizvoljnom poretku.

Jednokratne zaporke temeljene na vremenu

Inicijalizacija TOTP-a (dokumentacija) vrši se na način:

#!/usr/bin/env python

import os
import time
from cryptography.hazmat.primitives.twofactor.totp import TOTP
from cryptography.hazmat.primitives.hashes import SHA1

key = os.urandom(20)

totp = TOTP(key, 6, SHA1(), 30)

Drugi parametar kod TOTP-a je, kao i kod HOTP-a, broj znakova koje će generirane zaporke imati. Posljednji navedeni parametar je vremenski korak u sekundama, odnosno interval nakon kojeg će doći iduća jednokratna zaporka.

Nakon inicijalizacije moguće je generirati niz jednokratnih zaporki navođenjem vremena:

time_moment1 = time.time()
totp_value1 = totp.generate(time_moment1)
print("Zaporka stvorena u vremenskom trenutku", time_moment1, "je", totp_value1)

time.sleep(30)

time_moment2 = time.time()
totp_value2 = totp.generate(time_moment2)
print("Zaporka stvorena u vremenskom trenutku", time_moment2, "je", totp_value2)

Generirana zaporka šalje se korisniku i od njega prima, a zatim se provjera vrši na način:

totp.verify(totp_value1, time_moment1)
totp.verify(totp_value2, time_moment2)

Zadatak

Provjerite prolaze li TOTP vrijednosti provjeru kad su navedeni pogrešni vremenski intervali.
Provjerite možete li generirati i provjeravati TOTP vrijednosti za proizvoljni vremenski trenutak koji nije sadašnji. (Uputa: iskoristite funkcije time.struct_time() i time.mktime() za stvaranje vremenskog trenutka u adekvatnom obliku.)

Author: Vedran Miletić