面试题：Python Socket数据传输之安全与协议定制

协议设计思路

加密：使用对称加密算法（如AES）对敏感数据进行加密。在通信双方建立连接时，通过密钥交换协议（如Diffie - Hellman）协商共享密钥。
认证：采用数字签名机制。发送方使用私钥对数据进行签名，接收方使用发送方的公钥验证签名。可以使用RSA算法来实现公私钥对的生成和签名验证。
数据完整性校验：使用哈希函数（如SHA - 256）计算数据的哈希值，将哈希值与数据一同传输。接收方重新计算接收到数据的哈希值，并与发送方传来的哈希值进行比对，以确保数据完整性。

集成到Socket数据传输流程

连接建立阶段：双方通过Socket建立连接后，使用Diffie - Hellman算法协商共享密钥。
数据传输阶段：发送方对数据进行加密、签名，并计算哈希值，然后将加密后的数据、签名和哈希值一同发送。接收方接收数据后，先验证哈希值确保数据完整性，再使用发送方公钥验证签名，最后使用共享密钥解密数据。
连接关闭阶段：关闭Socket连接，释放资源。

核心代码框架及关键算法的Python实现思路

import socket
import hashlib
from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Signature import pkcs1_15


# Diffie - Hellman密钥交换
def diffie_hellman_exchange(sock):
    # 这里省略具体的Diffie - Hellman实现细节，可参考相关库
    pass


# 生成RSA密钥对
def generate_rsa_keys():
    key = RSA.generate(2048)
    private_key = key.export_key()
    public_key = key.publickey().export_key()
    return private_key, public_key


# 加密数据
def encrypt_data(data, key):
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_EAX)
    nonce = cipher.nonce
    ciphertext, tag = cipher.encrypt_and_digest(data)
    return nonce, ciphertext, tag


# 解密数据
def decrypt_data(nonce, ciphertext, tag, key):
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_EAX, nonce)
    data = cipher.decrypt_and_verify(ciphertext, tag)
    return data


# 签名数据
def sign_data(data, private_key):
    key = RSA.import_key(private_key)
    h = hashlib.sha256(data).digest()
    signature = pkcs1_15.new(key).sign(h)
    return signature


# 验证签名
def verify_signature(data, signature, public_key):
    key = RSA.import_key(public_key)
    h = hashlib.sha256(data).digest()
    try:
        pkcs1_15.new(key).verify(h, signature)
        return True
    except (ValueError, TypeError):
        return False


# 服务器端
def server():
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    server_socket.bind(('127.0.0.1', 12345))
    server_socket.listen(1)
    conn, addr = server_socket.accept()

    # 密钥交换
    shared_key = diffie_hellman_exchange(conn)
    private_key, public_key = generate_rsa_keys()
    conn.send(public_key)

    while True:
        nonce, ciphertext, tag, signature = conn.recv(1024)
        if not nonce:
            break
        if verify_signature(ciphertext, signature, public_key):
            data = decrypt_data(nonce, ciphertext, tag, shared_key)
            print(f"Received: {data}")
        else:
            print("Signature verification failed")

    conn.close()
    server_socket.close()


# 客户端
def client():
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    client_socket.connect(('127.0.0.1', 12345))

    # 密钥交换
    shared_key = diffie_hellman_exchange(client_socket)
    public_key = client_socket.recv(1024)
    private_key, _ = generate_rsa_keys()

    data = b"Sensitive data"
    nonce, ciphertext, tag = encrypt_data(data, shared_key)
    signature = sign_data(ciphertext, private_key)
    client_socket.sendall(nonce + ciphertext + tag + signature)

    client_socket.close()


if __name__ == "__main__":
    import threading
    server_thread = threading.Thread(target=server)
    client_thread = threading.Thread(target=client)
    server_thread.start()
    client_thread.start()
    server_thread.join()
    client_thread.join()

以上代码框架仅为示例，实际应用中需要完善Diffie - Hellman密钥交换等具体实现，并处理异常情况等。

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面试题：Python Socket数据传输之安全与协议定制

知识考点

面试题答案

协议设计思路

集成到Socket数据传输流程

核心代码框架及关键算法的Python实现思路