面试题：Python网络安全之高级加密与破解模拟

Question

在网络安全领域，加密与破解是重要课题。请使用Python实现一种非对称加密算法（如RSA），并模拟一次中间人攻击场景，尝试破解加密信息。详细说明实现过程中对密钥生成、加密、解密以及攻击策略的设计思路和Python代码实现。

Answer 1

1. 密钥生成

• 设计思路：RSA密钥生成基于大质数运算。选择两个大质数 p 和 q，计算 n = p * q，然后计算欧拉函数 phi(n) = (p - 1) * (q - 1)。选择一个与 phi(n) 互质的整数 e 作为公钥，通过扩展欧几里得算法计算出私钥 d，使得 (e * d) % phi(n) == 1。
• Python代码：

import random
from math import gcd
from Crypto.Util.number import getPrime


def generate_keypair(bits):
    p = getPrime(bits)
    q = getPrime(bits)
    n = p * q
    phi_n = (p - 1) * (q - 1)
    e = random.randrange(1, phi_n)
    while gcd(e, phi_n) != 1:
        e = random.randrange(1, phi_n)
    d = pow(e, -1, phi_n)
    return ((e, n), (d, n))

2. 加密

• 设计思路：使用公钥 (e, n) 对消息 m 进行加密，加密公式为 c = m^e mod n，其中 c 是密文。
• Python代码：

def encrypt(message, public_key):
    e, n = public_key
    return pow(message, e, n)

3. 解密

• 设计思路：使用私钥 (d, n) 对密文 c 进行解密，解密公式为 m = c^d mod n，其中 m 是原始消息。
• Python代码：

def decrypt(ciphertext, private_key):
    d, n = private_key
    return pow(ciphertext, d, n)

4. 中间人攻击策略设计思路及代码实现

• 设计思路：中间人攻击（MITM）中，中间人（Mallory）拦截通信双方的公钥交换过程，用自己的公钥替换。当发送方（Alice）向接收方（Bob）发送消息时，Alice 使用 Mallory 的公钥加密，Mallory 截获密文后用自己的私钥解密得到消息，再用 Bob 的公钥加密后转发给 Bob。
• Python代码：

# 模拟中间人攻击
# 假设Alice和Bob通信，Mallory进行中间人攻击
alice_public, alice_private = generate_keypair(1024)
bob_public, bob_private = generate_keypair(1024)
mallory_public, mallory_private = generate_keypair(1024)

# Alice向Bob发送消息
message = 42
# Mallory拦截并替换公钥
ciphertext_to_mallory = encrypt(message, mallory_public)
# Mallory解密
decrypted_by_mallory = decrypt(ciphertext_to_mallory, mallory_private)
# Mallory用Bob的公钥重新加密并转发
ciphertext_to_bob = encrypt(decrypted_by_mallory, bob_public)
# Bob解密
decrypted_by_bob = decrypt(ciphertext_to_bob, bob_private)

print(f"Alice发送的消息: {message}")
print(f"Bob解密后的消息: {decrypted_by_bob}")
print(f"Mallory截获并解密的消息: {decrypted_by_mallory}")

在实际应用中，为了防止中间人攻击，通常使用数字证书和可信的认证机构来验证公钥的真实性。上述代码使用了 pycryptodome 库中的 getPrime 函数来生成大质数，在实际的网络安全场景中，还需要考虑更多的安全因素，如密钥管理、证书验证等。