Python简单模拟蓝牙车钥匙协议

本文设计一个简单的蓝牙车钥匙协议，协议包含DH密钥协商和基于RSA的身份认证功能，以及防重放与消息完整性验证。

1. 密钥协商过程:
- 设定 DH 参数：素数 p 和生成元 g。
- 发送方（Alice）生成 DH 的私钥 a 并计算公钥 A = g^a mod p。
- 接收方（Bob）生成 DH 的私钥 b 并计算公钥 B = g^b mod p。
- Alice 和 Bob 交换各自的公钥 A 和 B。
- Alice 和 Bob 分别根据对方的公钥计算出共享密钥：Alice 的共享密钥 S_Alice = B^a mod p，Bob 的共享密钥 S_Bob = A^b mod p。

2. 身份认证过程:
- Alice 生成 RSA 密钥对，私钥 Private_Alice 和公钥 Public_Alice。
- Alice 将 Public_Alice 发送给 Bob。
- Bob 生成 RSA 密钥对，私钥 Private_Bob 和公钥 Public_Bob。
- Bob 将 Public_Bob 发送给 Alice。
- Alice 使用 Bob 的公钥 Public_Bob 对消息进行加密，确保只有 Bob 能够解密看到该消息。
- Bob 使用自己的私钥 Private_Bob 对消息进行解密和验证。

3. 防重放与消息完整性验证:
- 在通信过程中，每条消息附带一个唯一的序列号或时间戳。
- 在接收方收到消息后，会比较序列号或时间戳，并使用哈希函数计算消息的散列值。
- 接收方会保存已收到的序列号或时间戳，以及对应的散列值。
- 如果接收到重复的序列号或时间戳，或者消息的散列值不匹配，接收方将丢弃该消息。

这只是一个基本示例，实际应用中可能需要更复杂的协议设计和安全验证措施。

下面用Python实现该蓝牙钥匙协议的核心功能：

```python
import hashlib
import secrets
from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Cipher import PKCS1_OAEP
from Crypto.Signature import pkcs1_15
from Crypto.Hash import SHA256

# 密钥协商
def key_exchange():
    # 生成DH参数
    p = 8124599  # DH的素数p
    g = 7  # DH的生成元g

    # 生成私钥和公钥
    private_key = secrets.randbelow(p-1) + 1
    public_key = pow(g, private_key, p)

    # 发送公钥给对方
    # ...

    # 接收对方的公钥
    # ...

    # 计算共享密钥
    shared_key = pow(public_key, private_key, p)

    return shared_key

# 身份认证
def authenticate(shared_key):
    # 生成RSA密钥对
    key = RSA.generate(2048)

    # Alice进行签名
    signature_alice = sign_data("Alice", key)

    # 将密钥和签名发送给Bob
    # ...

    # Bob验证签名并生成自己的签名
    signature_bob = sign_data("Bob", key)

    # 将签名发送给Alice
    # ...

    # Alice验证Bob的签名
    verify_signature("Bob", signature_bob, key)

    # 完成身份验证
    # ...

# 签名数据
def sign_data(data, key):
    signer = pkcs1_15.new(key)
    digest = SHA256.new(data.encode('utf-8'))
    signature = signer.sign(digest)
    return signature

# 验证签名
def verify_signature(data, signature, key):
    verifier = pkcs1_15.new(key.publickey())
    digest = SHA256.new(data.encode('utf-8'))
    try:
        verifier.verify(digest, signature)
        print("Signature is valid.")
    except (ValueError, TypeError):
        print("Signature is invalid.")

# 防重放和消息完整性验证
def verify_replay_attack(message, nonce, mac, shared_key):
    # 检查重放攻击，验证nonce是否已经使用过
    # ...

    # 计算消息和共享密钥的HMAC
    computed_mac = hashlib.sha256((message + str(shared_key)).encode('utf-8')).hexdigest()

    # 验证MAC是否匹配
    if computed_mac == mac:
        print("Message integrity is confirmed.")
    else:
        print("Message integrity is compromised.")

# 示例用法
shared_key = key_exchange()
authenticate(shared_key)
message = "Hello, Bob!"
nonce = "123456"
mac = "f1a4142e8d0e2b33a22bcc8bec062105019bcf1bdee96eb76f6fe354e610ca3d"
verify_replay_attack(message, nonce, mac, shared_key)
```

参考如上代码，可以根据具体需求，将发送公钥、签名发送以及验证签名的操作加入到适当的位置。同样，防重放和消息完整性验证的实现可能需要根据具体需求进行修改。以上示例中的密钥大小、消息哈希算法以及消息完整性验证机制仅供参考，读者需要根据自己的需求选择合适的算法和参数。