基于OpenSSL的密码管理系统-应用密码学课程报告

第1章概要设计

1.1 设计目的

本研究旨在设计并实现一个基于OpenSSL的密码管理系统，该系统具备密钥对的生成、密钥上传、密钥的核对、身份认证、文件与邮件的加密和解密、数字签名及数字证书管理等常用功能。研究的意义主要体现在以下几个方面：

提升网络信息安全水平：通过集成多种密码学技术，本研究实现的系统能有效提高数据在存储和传输过程中的安全性，减少信息泄露和被窃取的风险。

推动密码学技术的实际应用：本研究将深入探讨并实现密码学核心算法，如RSA数字签名和加密算法，促进这些高级密码技术在网络安全领域的应用。

促进数字签名和数字证书的应用：通过实现用户数字签名和数字证书的功能，本研究进一步促进了这些技术在确保网络交易和通信安全中的应用。

1.2 技术路线

本文旨在开发一个基于OpenSSL的密码管理系统，以增强网络通信中的数据安全。为实现这一目标，我们采取了以下技术路线：

编程语言选择：选择Python作为开发语言，主要考虑到其强大的库支持、简洁的语法以及广泛的社区资源，适合快速开发和原型设计。

Web框架应用：使用Flask框架快速搭建Web项目。Flask是一个轻量级的Web应用框架，它易于扩展和集成，可以高效地配合本系统的开发需求，尤其是在处理HTTP请求和响应方面，为密码管理系统提供稳定的Web支持。

加密库的选用：选择cryptography库来实现OpenSSL的各种具体功能。cryptography是一个在Python中实现的加密库，它提供了丰富的加密算法和协议，如RSA, AES等，以及各类加密/解密、签名/验证等操作的接口。使用该库可以方便地在Python环境中实现OpenSSL的加密、解密、数字签名和证书管理等功能，而无需直接调用复杂的OpenSSL命令行工具。

综上所述，本研究将通过Python编程，结合Flask Web框架和cryptography加密库，构建一个安全、高效且用户友好的基于OpenSSL的密码管理系统。这一技术路线不仅确保了开发的效率和系统的性能，同时也保障了系统的安全性和可靠性。

1.3 OpenSSL简介

OpenSSL是一个强大的安全套接字层密码库，广泛用于网络通信中提供数据加密、身份认证等安全服务。它起源于Eric Young和Tim Hudson于1998年开发的SSLeay。随着时间的演进，OpenSSL逐步成为了开源社区中最被广泛使用的加密库之一。

OpenSSL库包含了一整套加密算法，覆盖了对称加密、非对称加密、消息摘要、签名等多种功能。它支持如AES、DES、RSA、DH、ECC等一系列密码学算法，并实现了如SSL和TLS这类重要的网络安全协议。此外，OpenSSL还提供了密钥和证书管理工具，使得用户能够轻松生成、存储、管理和使用密钥对和数字证书。

在多平台支持方面，OpenSSL表现出色，它可以在Unix、Windows及Mac OS等操作系统上运行，兼容性强，适用于各种服务器和客户端软件的开发。OpenSSL的开源特性也确保了其持续更新与改进，为应对新兴的安全威胁提供了可靠的保障。

在本研究中，我们选择了OpenSSL作为实现密码管理系统的基础，主要考虑到其全面的功能、广泛的应用以及稳定的安全性能。通过整合OpenSSL提供的高级加密算法和协议，本研究将能有效提升系统的安全保障，确保敏感数据的安全传输和存储。

1.4 系统架构设计

本研究的密码管理系统采用分层架构设计，主要包括四个层次：表示层、业务逻辑层、数据访问层和数据存储层。

表示层：负责与用户的直接交互，提供友好的用户界面。使用Flask框架，通过Web页面展示系统功能，接受用户请求，并呈现处理结果。

业务逻辑层：系统的核心部分，实现密码学相关的操作，如密钥生成、加密解密、数字签名等。该层使用Python编程语言结合cryptography库来处理具体的加密任务。

数据访问层：作为业务逻辑层与数据存储层之间的桥梁，负责数据的传递与转换。该层确保业务逻辑层的操作可以正确地映射到数据存储操作上。

数据存储层：安全地存储密钥对、证书等重要信息。可以使用数据库系统来持久化存储这些数据，确保数据的可靠性和完整性。

1.4 功能模块划分

系统按功能需求划分为以下核心模块：

l 密钥管理模块：负责生成、存储和管理密钥对。用户可以生成新的密钥对，上传公钥或私钥，并进行密钥的有效性校验。

l 数字签名管理模块：允许用户生成数字签名和签名验证。

l 数字证书管理模块：允许用户生成数字证书和证书验证。

l 文件加密与解密模块：提供文件的加密和解密服务。用户可以上传文件进行加密，也可以提交加密文件进行解密，系统会显示操作结果。

l 邮件加密与解密模块：类似文件模块，但专门处理电子邮件内容的加密和解密。确保邮件在不安全的网络环境中的安全传输。

l 身份认证模块：利用加解密技术实现用户身份的验证。该模块确保只有验证后的用户才能登陆系统后台，执行特定的加密与解密操作。

通过这种分层架构和模块化的设计，系统不仅可以实现高效、安全的数据加密与解密，还可以灵活地扩展和维护。每个模块独立封装，降低了系统的复杂度，提高了代码的可重用性和维护性。

第2章系统整体设计说明

my_crypto 项目目录结构示例：

├── my_crypto

│ ├── certs

│ ├── files

│ ├── keys

│ ├── static

│ │ ├── bootstrap3

│ │ ├── jquery1.3.3

│ │ ├── upload

│ ├── templates

│ │ ├── my_crypto

│ │ │ ├── cert

│ │ │ │ ├── issue_certificate.html

│ │ │ │ ├── verify_certificate.html

│ │ │ ├── common

│ │ │ │ ├── base.html

│ │ │ │ ├── head.html

│ │ │ │ ├── home.html

│ │ │ ├── email

│ │ │ │ ├── decrypt_email.html

│ │ │ │ ├── decrypt_email_result.html

│ │ │ │ ├── encrypt_email.html

│ │ │ │ ├── encrypt_email_result.html

│ │ │ ├── files

│ │ │ │ ├── decrypt_file.html

│ │ │ │ ├── decrypt_file_result.html

│ │ │ │ ├── encrypt_file.html

│ │ │ │ ├── encrypt_file_result.html

│ │ │ ├── keys

│ │ │ │ ├── generate_keys.html

│ │ │ │ ├── upload_keys.html

│ │ │ │ ├── verification_keys.html

│ │ │ │ ├── verification_keys_result.html

│ │ │ ├── sign

│ │ │ │ ├── generate_sign.html

│ │ │ │ ├── verification_sign.html

│ │ ├── index.html

│ │ ├── login.html

│ ├── __init__.py

│ ├── app.py

│ ├── crypto_util.py

2.1 密钥管理模块

2.1.1. 密钥对生成

使用OpenSSL库生成RSA密钥对文件。

(1) 核心算法和实现

密码实现工具类：crypto_util.py

# -*- coding: utf-8 -*-
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding as asym_padding  # 用于非对称加密的填充
from cryptography.hazmat.primitives import padding as sym_padding  # 用于对称加密的填充
from cryptography.hazmat.primitives import serialization
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.kdf.pbkdf2 import PBKDF2HMAC
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography import x509
from cryptography.x509.oid import NameOID
from cryptography.fernet import Fernet
from datetime import datetime, timedelta
import base64
import os

# 生成RSA密钥对，并可选择保存到文件
def generate_rsa_key_pair(save_to_file=False, private_key_filename='private_key.pem',
                          public_key_filename='public_key.pem'):
    # 生成私钥
    private_key = rsa.generate_private_key(
        public_exponent=65537,
        key_size=2048,
        backend=default_backend()
    )
    # 获取公钥
    public_key = private_key.public_key()
    # 将私钥和公钥转换为PEM格式字符串
    private_key_pem = private_key.private_bytes(
        encoding=serialization.Encoding.PEM,
        format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,
        encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()
    ).decode('utf-8')
    public_key_pem = public_key.public_bytes(
        encoding=serialization.Encoding.PEM,
        format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
    ).decode('utf-8')
    # 如果需要保存到文件，则写入到指定文件
    if save_to_file:
        if not os.path.exists('keys'):
            os.makedirs('keys')  # 创建目录来保存密钥文件
        with open(os.path.join('keys', private_key_filename), 'w') as f:
            f.write(private_key_pem)
        with open(os.path.join('keys', public_key_filename), 'w') as f:
            f.write(public_key_pem)
        # 返回文件名而不是字符串
        return private_key_filename, public_key_filename
    else:
        # 如果不保存文件，则返回私钥和公钥对象
        return private_key, public_key

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def get_information():
    '''
    @方法名称: 获取资料或者源码
    @作    者: PandaCode辉
    @weixin公众号: PandaCode辉
    @创建时间: 2024-09-11
    '''
    print('需要更多资料或者源码的朋友，可以关注我的weixin公众号留言找我。')
    return 1

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