Python 利用PYQT5设计基于RSA算法盲签名的匿名化电子支付系统设计与实现

基于RSA算法的盲签名算法

David Chaum 于1982年提出盲签名的概念，并利用RSA算法设计了第一个盲签名方案. 该方案的安全性基于大整数分解问题

盲签名的步骤

1.密钥生成

签名者执行以下步骤生成密钥对:

①签名者选择两个大素数p,q，计算n=pq， φ(n)=(p-1)(q-1);

②签名者选择两个大整数e,d, 满足ed =1 mod φ(n)， gcd(e, φ(n))= 1;

③签名者保存私钥(d,n)，并公开公钥(e, n)和安全哈希函数H:{0,1}*→Zn*.

2.盲化

①用户选择随机数r∈R Zn*，计算m' = re H(m) mod n，其中m是待签名的消息;

②用户将盲化的消息m'发送给签名者.

3.签名

签名者计算σ' ≡ m' d mod n ，并将 σ' 发送给用户。

4.去盲化

用户计算σ ≡ σ' r-1 mod n

r-1是盲化因子的逆元

5.签名正确性验证

用户通过验证σe ≡ H(m) mod n

详细设计

我们为这个基于盲签名的匿名化电子支付系统设计了服务端（交易方）和用户端（被交易方）。和一个管理系统

1.密钥生成

使用RSA模块的generate生成密钥对

# 生成 RSA 密钥对
def generate_rsa_key_pair():private_key = rsa.generate_private_key(public_exponent=65537,key_size=2048)public_key = private_key.public_key()return private_key, public_key

2.生成盲化因子

使用secrets.randbits(1024)生成一个1024位的随机数，再用Miller-Rabin算法检查n是否是素数当n为素数的时候输出为盲化因子

def generate_blinding_factor():# 生成盲化因子（一个1024位的随机素数）while True:prime_candidate = secrets.randbits(1024)if is_prime(prime_candidate):return prime_candidatedef is_prime(n, k=5):# 用Miller-Rabin算法检查n是否是素数if n < 2: return Falsefor p in [2,3,5,7,11,13,17,19,23,29]:if n % p == 0: return n == ps, d = 0, n - 1while d % 2 == 0:s, d = s + 1, d // 2for i in range(k):x = pow(secrets.randbelow(n-3) + 2, d, n)if x == 1 or x == n - 1: continuefor r in range(s - 1):x = pow(x, 2, n)if x == n - 1: breakelse:return Falsereturn True

3.消息盲化

发送者使用盲化因子 k 对原始消息 m 进行盲化操作，生成盲化后的消息 m'。公钥 e 和 n 是接收者的公钥，在进行盲化和解盲化操作时需要使用。m‘=mk^emod(n)

def blind_hide_msg(msg, factor, e, n):hide_msg = (msg * pow(factor, e, n)) % nreturn hide_msg

4.接收方签名

接收方计算s’=(m’)^d(mod n)并把计算后的签名值s’发送给发送方

def blind_signature(blind_msg, d, n):blind_sig = pow(blind_msg, d, n)return blind_sig

5.解盲

签名者将签名值 s' 发送回给发送者。发送者使用盲化因子的逆元素和签名值 s1 结合起来计算原始消息 m 的数字签名 s。

def blind_retrieve_sig(blind_sig, factor, n):inverse = pow(factor, -1, n)signature = (blind_sig * inverse) % nreturn signature

6.验证盲签名

发送方计算接收方发送的s‘，并计算出原始的消息m的数字签名 s=s’k^−1(mod n) 与接收方计算的数字签名进行一个比较，如果相同接收方验证盲签名成功！用户通过验证s‘e ≡ H(m) mod n来验证盲签名

verification_result = pow(unblinded_signature2,e1,n1)

算法运行截图

完整算法代码

from cryptography.hazmat.primitives import serialization
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
import binascii
import secrets
import gmpy2
import hashlib
import random
from Crypto.Signature import pkcs1_15
from Crypto.Hash import SHA256
from Crypto.PublicKey import RSA
from Cryptodome.Util.number import inversedef blind_hide_msg(msg, factor, e, n):hide_msg = (msg * pow(factor, e, n)) % nreturn hide_msgdef blind_signature(blind_msg, d, n):blind_sig = pow(blind_msg, d, n)return blind_sig# 判断是否为素数
def is_prime(num):if num <= 1:return Falsefor i in range(2, int(num**0.5) + 1):if num % i == 0:return Falsereturn Truedef generate_blinding_factor():# 生成盲化因子（一个1024位的随机素数）while True:prime_candidate = secrets.randbits(1024)if is_prime(prime_candidate):return prime_candidatedef is_prime(n, k=5):# 用Miller-Rabin算法检查n是否是素数if n < 2: return Falsefor p in [2,3,5,7,11,13,17,19,23,29]:if n % p == 0: return n == ps, d = 0, n - 1while d % 2 == 0:s, d = s + 1, d // 2for i in range(k):x = pow(secrets.randbelow(n-3) + 2, d, n)if x == 1 or x == n - 1: continuefor r in range(s - 1):x = pow(x, 2, n)if x == n - 1: breakelse:return Falsereturn True# 生成 RSA 密钥对
def generate_rsa_key_pair():private_key = rsa.generate_private_key(public_exponent=65537,key_size=2048)public_key = private_key.public_key()return private_key, public_key# 保存密钥到文件
def save_key_to_file(key, filename):pem = key.private_bytes(encoding=serialization.Encoding.PEM,format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,encryption_algorithm=serialization.NoEncryption())with open(filename, 'wb') as f:f.write(pem)# 从文件中加载密钥
def load_key_from_file(filename):with open(filename, 'rb') as f:pem = f.read()key = serialization.load_pem_private_key(pem, password=None)return keydef blind_retrieve_sig(blind_sig, factor, n):inverse = pow(factor, -1, n)signature = (blind_sig * inverse) % nreturn signature#--------------`--------------------------------------------------------------------------------
# 生成 RSA 密钥对
private_key, public_key = generate_rsa_key_pair()
bank_private_key, bank_public_key = generate_rsa_key_pair()# 保存私钥到文件
private_key_file = "private_key.pem"
private_key_file2 = "bank_private_key.pem"
save_key_to_file(private_key, private_key_file)
save_key_to_file(bank_private_key,private_key_file2)
# 保存公钥到文件
public_key_file = "public_key.pem"
public_key_file2 = "bank_public_key.pem"
with open(public_key_file, 'wb') as f:f.write(public_key.public_bytes(encoding=serialization.Encoding.PEM,format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo))
with open(public_key_file2, 'wb') as f:f.write(public_key.public_bytes(encoding=serialization.Encoding.PEM,format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo))# 从文件中加载密钥
loaded_private_key = load_key_from_file(private_key_file)
loaded_bank_private_key = load_key_from_file(private_key_file2)
loaded_public_key = serialization.load_pem_public_key(open(public_key_file, 'rb').read())
loaded_bank_public_key = serialization.load_pem_public_key(open(public_key_file2, 'rb').read())# 从加载的密钥中提取模数 n、私钥指数 d 和公钥指数 e
n = loaded_private_key.private_numbers().public_numbers.n
d = loaded_private_key.private_numbers().d
e = loaded_public_key.public_numbers().e# 从加载的密钥中提取模数 n、私钥指数 d 和公钥指数 e
n1 = loaded_bank_private_key.private_numbers().public_numbers.n
d1 = loaded_bank_private_key.private_numbers().d
e1 = loaded_bank_public_key.public_numbers().e# 清除返回值对象，防止泄露信息
loaded_private_key = None
loaded_public_key = Noneprint("n:", n)
print("d:", d)
print("e:", e)
print("n1:", n1)
print("d1:", d1)
print("e1:", e1)m =1234
# 生成盲化因子Alice选择一个随机数  k 作为盲化因子
k = generate_blinding_factor()
print("blinding factor",k)#generate_blinding_factor()函数使用secrets.randbits(1024)生成一个随机的1024位素数作为盲化因子。
#is_prime()函数使用Miller-Rabin算法检查整数是否是素数。然后，blind_message()函数将盲化因子应用于消息，以生成盲化的消息和盲化因子的值。
#1.发送者使用盲化因子 k 对原始消息 m 进行盲化操作，生成盲化后的消息 m'。公钥 e 和 n 是接收者的公钥，在进行盲化和解盲化操作时需要使用。
m1 = blind_hide_msg(m,k, e1, n1)#盲化
print("盲化后的消息 m':",m1)
#发送者将盲化后的消息 m1 发送给签名者。#2.签名者使用私钥对盲化后的消息 m1 进行解密操作，生成签名值 s1。 d1和n1是签名者银行的私钥
s1 = blind_signature(m1, d1, n1)
print("签名值 s'", s1)
real_sig = pow(m, d1, n1)
print("原签名 =", real_sig)#3.签名者将签名值 s' 发送回给发送者。发送者使用盲化因子的逆元素和签名值 s1 结合起来计算原始消息 m 的数字签名 s。
unblinded_signature2=blind_retrieve_sig(s1,k, n1)
print("解盲后", unblinded_signature2)if unblinded_signature2==real_sig:print("验证成功！！！！")
else:print("验证失败")hash_value = hashlib.sha256(str(m).encode()).digest()
# 4验证数字签名
verification_result = pow(unblinded_signature2,e1,n1)
# 计算验证结果的哈希值
verification_bytes = verification_result.to_bytes((verification_result.bit_length() + 7) // 8, byteorder="big")
verification_hash = hashlib.sha256(verification_bytes).digest()
print("verification_hash",verification_hash)
print("unblinded_signature2",unblinded_signature2)
# 将哈希值转换为整数类型
hash_int = int.from_bytes(hash_value, byteorder="big")# 检查验证结果是否与哈希值一致
if verification_result == m:print("数字签名验证通过")
else:print("数字签名验证失败")

系统测试

系统执行流程图

本系统的执行过程如图所示。首先客户端用户查询要发送的对象，然后用户输入要盲化的金额、输入发送对象名、输入备注，然后使用密钥对金额进行盲化，并将这些信息作为盲化请求发送给服务端，服务端用户首先可以查看到用户发送过来的盲化请求，然后输入序号可以下载密钥，然后解密，再用密钥生成自己的签名值，发送给客户端用户，客户端用户接收到该签名值之后用密钥解盲。

用户查询发送对象

客户端用户先点击按钮按钮查询可发送的对象。

用户发送信息

用户输入要交易（盲化）的金额，输入要发送的对象名，输入备注，点击发送按钮将这些值以及盲化金额发送给交易方。

服务端（交易方）可以查询被交易方发过来的盲化请求。

下载用户公钥，交易方下载密钥。

签名者验证发送方身份

服务端生成签名值

然后点击按钮将该值发送给客户端用户。

发送方接收到服务端返回的签名进行解盲

发送方解盲后发送给第三方，第三方验证签名

第三方验证签名

数据库设计

数据表建立语句

验证签名表
CREATE TABLE `verify_sign` (`id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT,`userfrom` varchar(255) DEFAULT NULL,`d` text,PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=8 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci用户信息表
CREATE TABLE `user_info` (`id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT,`userfrom` varchar(255) DEFAULT NULL,`m` text,`k` text,`n` text,`e` text,PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=2 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci
服务端盲签名回应表
CREATE TABLE `blind_response2` (`id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT,`userfrom` varchar(255) DEFAULT NULL,`userto` varchar(255) DEFAULT NULL,`sign_sig` text,PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=41 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci
客户端用户请求发送表
CREATE TABLE `blind_payrequest2` (`id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT,`userfrom` varchar(255) DEFAULT NULL,`userto` varchar(255) DEFAULT NULL,`payment_description` varchar(255) DEFAULT NULL,`payment_time` datetime DEFAULT NULL,`payment_amount` text,PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=19 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci
用户密钥表
CREATE TABLE `user_keys` (`id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT,`user` varchar(255) DEFAULT NULL,`public_key` TEXT,`private_key` TEXT,PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=10 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci