Введение в криптографические алгоритмы Python, Шеннон Брей

Algorytmy kryptograficzne w Pythonie Wprowadzenie

Shannon Bray

Dzięki kryptografii możemy w dużym stopniu zabezpieczyć swoje dane. Z szyfrowaną komunikacją wiążą się jednak kontrowersje i sprzeczności interesów. Przestępcy, ale również rządy, policja i służby wywiadowcze dążą do uzyskania możliwości wglądu we wszystkie formy komunikacji. Świat toczy wojnę o to, co można zaszyfrować, co powinno być zaszyfrowane i kto powinien dysponować kluczem pozwalającym odczytać zaszyfrowane wiadomości należące do innej osoby. W tej sytuacji zrozumienie, czym jest szyfrowanie, jak je stosować i jak się upewniać co do autentyczności i poufności otrzymywanych danych, staje się niezwykle ważne.

Ta książka jest przystępnym wprowadzeniem do kryptografii i bibliotek kryptograficznych Pythona. Omówiono tu podstawowe koncepcje z tej dziedziny, najważniejsze algorytmy i niezbędny zakres podstaw matematycznych: liczby pierwsze, teorię grup czy generatory liczb pseudolosowych. Wyjaśniono, czym są poufność, autentyczność i integralność wiadomości. Zaprezentowano najciekawsze biblioteki kryptograficzne Pythona i dokładnie pokazano, w jaki sposób można je wykorzystywać we własnych implementacjach. Wiele z prezentowanych koncepcji, między innymi kryptografia klucza publicznego i implementacja kryptografii krzywych eliptycznych, zostało przedstawionych w praktyce, za pomocą kodu Pythona, tak aby można było wymieniać dane w bardzo bezpiecznym formacie przez niezabezpieczony kanał.

W książce:

• podstawy Pythona i kryptografii
• protokoły kryptograficzne i matematyka kryptograficzna
• kryptoanaliza za pomocą kodu Pythona
• kryptografia wizualna: biblioteki, algorytmy, tryby kodowania
• integralność wiadomości
• tworzenie rozwiązań kryptograficznych w Pythonie

Masz coś do ukrycia? Zaszyfruj to w Pythonie!

O autorze książki

Shannon W. Bray zajmuje się IT od 1997 roku, wcześniej służył w marynarce wojennej USA. Od kilkunastu lat interesuje się kryptografią i cyberbezpieczeństwem, obecnie przygotowuje doktorat z tej dziedziny. Zdobył liczne certyfikaty branżowe, w tym CISM, Security+ czy CASP+. Hobbystycznie pracuje nad projektami dla domu, takimi jak domowy system bezpieczeństwa oparty na Pythonie, kryptografii i dronach.

Spis treści:

O autorze 11

Podziękowania 13

Wprowadzenie 15

Rozdział 1. Wprowadzenie do kryptografii i Pythona 19

• Algorytmy 19
• Dlaczego warto korzystać z Pythona? 20
• Pobieranie i instalacja Pythona 21

  Instalacja na Ubuntu 21

  Instalacja w systemie macOS 22

  Instalacja w systemie Windows 22

  Instalacja na chromebooku 23

  Instalowanie dodatkowych pakietów 23

  Instalacja Pip, NumPy, Matplotlib i SciPy 23

  Instalacja pakietu Cryptography 25

  Instalacja dodatkowych pakietów 25

• Testowanie instalacji 26
• Podstawy Pythona 26

  Zmienne 27

  Łańcuchy znaków 27

  Operatory 28

  Operatory arytmetyczne 28

  Operatory porównania 29

  Operatory logiczne 30

  Operatory przypisania 30

  Operatory bitowe 30

  Operatory przynależności 31

  Operatory tożsamości 32

  Wyrażenia warunkowe 32

  Pętle 33

  for 33

  while 33

  continue 34

  break 34

  else 34

  Praca z plikami 34

  Semantyka Pythona 35

  Typy sekwencyjne 36

  Własne funkcje 41

  Pobieranie plików 42

  Moduły 43

• Szyfr wsteczny 44
• Podsumowanie 44

Rozdział 2. Protokoły kryptograficzne i poufność doskonała 45

• Studium kryptologii 46

  Zrozumieć kryptografię 46

  Alicja i Bob, czyli słynna kryptograficzna rodzina 47

  Protokół Diffiego-Hellmana 48

  Uwierzytelnianie źródła danych 48

  Uwierzytelnianie jednostek 49

  Algorytmy symetryczne 50

  Algorytmy asymetryczne 50

  Protokoły Needhama-Schroedera 50

  Protokół Otwaya-Reesa 52

  Kerberos 52

  Kerberos w wielu domenach 54

  X.509 55

  Konfiguracja Twojej pierwszej biblioteki kryptograficznej 56

  Formalna walidacja protokołów kryptograficznych 59

  Zrozumieć kryptoanalizę 60

• Modele ataków 60

  Ataki metodą siłową 61

  Ataki kanałem bocznym 61

  Inżynieria społeczna 62

  Ataki analityczne 62

  Analiza częstości 62

• Twierdzenie Shannona 62
• Szyfr z kluczem jednorazowym 63

  XOR, AND i OR 63

  Funkcja szyfru z kluczem jednorazowym 67

• Jednokierunkowe funkcje skrótu 70

  Jednokierunkowe kryptograficzne funkcje skrótu 70

  Kody uwierzytelniania wiadomości 71

• Doskonałe utajnianie z wyprzedzaniem 72
• Opublikowane i zastrzeżone algorytmy szyfrowania 73
• Podsumowanie 73
• Bibliografia 74

Rozdział 3. Kryptografia klasyczna 75

• Najlepsze praktyki dotyczące haseł 75

  Przechowywanie haseł 76

  Haszowanie haseł 76

  Solenie haseł 77

  Password/keystretching 78

  Narzędzia przydatne w pracy z hasłami 78

• Zaciemnianie danych 79

  Kodowanie ASCII 79

  Kodowanie tekstu Base64 79

  Dane binarne 81

  Dekodowanie 81

• Szyfry o znaczeniu historycznym 82

  Spartańskie Skytale 82

  Szyfry podstawieniowe 82

  Szyfr Cezara 83

  ROT-13 84

  Atbasz 85

  Szyfr Vigenere'a 86

  Szyfr Playfaira 87

  Szyfr Hilla 2×2 90

  Kolumnowy szyfr przestawieniowy 94

  Szyfr afiniczny 97

• Podsumowanie 99

Rozdział 4. Matematyka kryptograficzna i analiza częstości 101

• Arytmetyka modularna i największy wspólny dzielnik 102
• Liczby pierwsze 103

  Twierdzenie o liczbach pierwszych 104

  Szkolny test pierwszości 104

  Małe twierdzenie Fermata 105

  Test pierwszości Millera-Rabina 106

  Generowanie dużych liczb pierwszych 109

• Podstawy teorii grup 111

  Rząd elementu 112

• Odwrotność modulo 114

  Odwrotność z użyciem małego twierdzenia Fermata 114

• Rozszerzony algorytm Euklidesa 115
• Twierdzenie Eulera 115
• Pseudolosowość 118

  Funkcja generująca wartości pseudolosowe 119

• Rozwiązywanie układów równań liniowych 120
• Analiza częstości 123
• Kryptoanaliza z użyciem Pythona 126

  Korzystanie z internetowej listy słów 128

  Obliczanie częstości znaków 128

  Łamanie szyfru Vigenere'a 131

• Podsumowanie 138

Rozdział 5. Szyfry strumieniowe i blokowe 139

• Konwersja pomiędzy zapisem szesnastkowym a tekstem jawnym 140
• Szyfry strumieniowe 141

  ARC4 146

  Szyfr Vernama 147

  Szyfr Salsa20 148

  Szyfr ChaCha 150

• Szyfry blokowe 154

  Tryb EBC 156

  Tryb CBC 157

  Tryb CFB 158

  Tryb OFB 159

  Tryb CTR 160

  Tryby strumieniowe 162

  Samodzielne tworzenie szyfru blokowego za pomocą sieci Feistela 162

  Advanced Encryption Standard (AES) 164

  AES w Pythonie 164

  Szyfrowanie plików za pomocą AES 166

  Odszyfrowywanie plików za pomocą AES 166

• Podsumowanie 166

Rozdział 6. Kryptografia wizualna 167

• Prosty przykład 167
• Biblioteki graficzne i steganograficzne 169

  Biblioteka cryptography 170

  Biblioteka cryptosteganography 170

• Kryptografia wizualna 171

  Szyfrowanie zawartości pliku za pomocą algorytmu Ferneta 171

  Szyfrowanie obrazu za pomocą algorytmu Ferneta 173

  AES i tryby kodowania 174

  Prosty przykład użycia trybu ECB 175

  Prosty przykład szyfrowania w trybie CBC 179

  Wykorzystanie wiedzy w praktyce 180

• Steganografia 181

  Przechowywanie wiadomości w obrazie 181

  Ukrywanie pliku binarnego w obrazie 184

  Praca z dużymi obrazami 187

• Podsumowanie 189

Rozdział 7. Integralność wiadomości 191

• Kody uwierzytelniania wiadomości 191

  Kod uwierzytelniania wiadomości oparty na funkcjach haszujących 193

  Podpisywanie wiadomości za pomocą HMAC 194

  Podpisywanie algorytmem SHA 194

  Skróty binarne 195

  Zgodność z NIST 197

  CBC-MAC 198

  Atak urodzinowy 199

  Fałszowanie wiadomości 200

  Atak length extension 200

• Ustanawianie bezpiecznego kanału komunikacji 201

  Kanały komunikacyjne 202

  Przesyłanie bezpiecznych wiadomości przez sieci IP 202

  Tworzenie gniazda serwera 203

  Tworzenie gniazda klienta 204

  Tworzenie wielowątkowego serwera z komunikacją TCP 204

  Dodawanie szyfrowania symetrycznego 205

  Łączenie wiadomości i kodu MAC 208

• Podsumowanie 211
• Bibliografia 211

Rozdział 8. Infrastruktura klucza publicznego i zastosowania kryptografii 213

• Koncepcja klucza publicznego 214

  Podstawy RSA 216

  Generowanie certyfikatu RSA 218

  Szyfrowanie i odszyfrowywanie tekstu za pomocą certyfikatów RSA 220

  Szyfrowanie i odszyfrowywanie obiektów BLOB za pomocą certyfikatów RSA 221

• Algorytm ElGamal 223
• Kryptografia krzywych eliptycznych 226

  Generowanie kluczy w ECC 228

  Długości klucza i krzywe 229

• Protokół wymiany kluczy Diffiego-Hellmana 230
• Podsumowanie 232

Rozdział 9. Szlifowanie umiejętności kryptograficznych w Pythonie 233

• Tworzenie aplikacji do niezaszyfrowanej komunikacji 234

  Tworzenie serwera 234

  Tworzenie klienta 236

  Tworzenie pliku pomocniczego 237

  Uruchamianie 238

• Instalowanie i testowanie Wiresharka 238
• Implementacja PKI z użyciem certyfikatów RSA 240

  Modyfikowanie serwera 241

  Modyfikowanie klienta 242

  Modyfikowanie pliku pomocniczego 243

  Uruchamianie 244

• Implementacja protokołu wymiany kluczy Diffiego-Hellmana 245

  Modyfikowanie kodu serwera 247

  Modyfikowanie kodu klienta 248

  Modyfikowanie pliku pomocniczego 250

  Klasa DiffieHellman 254

  Uruchamianie 258

• Podsumowanie 259