2025年P(guān)ython邊緣計(jì)算安全專項(xiàng)訓(xùn)練試卷：邊緣安全防護(hù)與數(shù)據(jù)加密模擬實(shí)戰(zhàn)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、請(qǐng)編寫一個(gè)Python函數(shù)`generate_rsa_keys(private_key_path,public_key_path,key_size=2048)`，用于生成一對(duì)RSA密鑰（私鑰和公鑰）。私鑰保存至`private_key_path`路徑，公鑰保存至`public_key_path`路徑。要求使用`cryptography`庫的相關(guān)模塊和類完成。二、假設(shè)你正在為一個(gè)邊緣設(shè)備編寫安全通信模塊。該設(shè)備需要使用公鑰加密（非對(duì)稱加密）來保護(hù)其發(fā)送到云端的數(shù)據(jù)的機(jī)密性。接收方（云端）已經(jīng)提供了一個(gè)RSA公鑰（存儲(chǔ)在`remote_public_key.pem`文件中）。請(qǐng)編寫一個(gè)Python函數(shù)`encrypt_data_with_rsa_public_key(data,public_key_file_path)`，該函數(shù)讀取指定路徑的公鑰文件，使用此公鑰對(duì)傳入的`data`字符串進(jìn)行加密，并將加密后的字節(jié)串返回。為簡(jiǎn)化，假設(shè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度適合單次加密。三、邊緣節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行著一個(gè)服務(wù)，該服務(wù)需要根據(jù)客戶端的IP地址和請(qǐng)求的API路徑來決定是否允許訪問。請(qǐng)編寫一個(gè)Python函數(shù)`check_access(ip_address,api_path)`，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的訪問控制邏輯：僅當(dāng)`ip_address`為`192.168.1.x`網(wǎng)段內(nèi)的地址，并且`api_path`以`/safe`開頭時(shí)，才返回`True`（允許訪問），否則返回`False`（拒絕訪問）。可以使用Python標(biāo)準(zhǔn)庫中的`ipaddress`模塊來處理IP地址。四、在一個(gè)邊緣計(jì)算場(chǎng)景中，多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)定期向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。為確保數(shù)據(jù)的完整性，中心節(jié)點(diǎn)需要驗(yàn)證接收到的數(shù)據(jù)未被篡改。數(shù)據(jù)發(fā)送前，傳感器使用HMAC-SHA256算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名，并將簽名隨數(shù)據(jù)一起發(fā)送。中心節(jié)點(diǎn)持有每個(gè)傳感器的預(yù)共享密鑰。請(qǐng)編寫一個(gè)Python函數(shù)`verify_sensor_data(data,signature,sensor_id,secret_key)`，該函數(shù)使用給定的`secret_key`和`sensor_id`（假設(shè)`sensor_id`與密鑰直接關(guān)聯(lián)，例如`secret_key='key_'+sensor_id`），計(jì)算數(shù)據(jù)`data`的HMAC-SHA256簽名，并將其與接收到的`signature`進(jìn)行比對(duì)。如果一致，返回`True`，表示數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證通過；否則返回`False`。要求使用`hmac`和`hashlib`庫。五、某邊緣設(shè)備需要定期與云端進(jìn)行安全通信，交換加密的配置文件。通信使用TLS協(xié)議。請(qǐng)編寫一個(gè)Python函數(shù)`establish_tls_connection(server_address,server_port,cert_file_path,key_file_path,ca_cert_file_path)`，該函數(shù)嘗試使用`socket`庫建立一個(gè)安全的TLS連接到指定的`server_address`和`server_port`。該函數(shù)需要加載客戶端證書`cert_file_path`和私鑰`key_file_path`，并指定CA證書`ca_cert_file_path`以驗(yàn)證服務(wù)器身份。函數(shù)成功建立連接后應(yīng)返回連接的`socket`對(duì)象，如果連接或握手失敗，則返回`None`。請(qǐng)確保代碼處理了必要的異常。六、邊緣設(shè)備上存儲(chǔ)著一些敏感的用戶配置信息，需要定期進(jìn)行安全審計(jì)。請(qǐng)編寫一個(gè)Python腳本`audit_sensitive_config.py`，該腳本的功能如下：1)從當(dāng)前目錄下讀取一個(gè)名為`sensitive_config.yaml`的YAML文件（假設(shè)內(nèi)容為純文本或簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，無需復(fù)雜解析）；2)對(duì)讀取到的文件內(nèi)容使用AES對(duì)稱加密（使用一個(gè)固定的、較簡(jiǎn)單的密鑰，如`'mysecretpassword'`）進(jìn)行加密；3)將加密后的內(nèi)容保存到一個(gè)名為`encrypted_config.bin`的文件中。腳本應(yīng)處理文件讀取、寫入失敗以及加密過程中可能出現(xiàn)的異常，并在最后輸出“審計(jì)完成”信息。試卷答案一、```pythonfromcryptography.hazmat.primitives.asymmetricimportrsafromcryptography.hazmat.primitivesimportserializationdefgenerate_rsa_keys(private_key_path,public_key_path,key_size=2048):#生成RSA私鑰private_key=rsa.generate_private_key(public_exponent=65537,key_size=key_size,)#生成RSA公鑰public_key=private_key.public_key()#將私鑰保存到文件withopen(private_key_path,"wb")asf:f.write(private_key.private_bytes(encoding=serialization.Encoding.PEM,format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()))#將公鑰保存到文件withopen(public_key_path,"wb")asf:f.write(public_key.public_bytes(encoding=serialization.Encoding.PEM,format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo,encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()))```解析思路：使用`cryptography`庫的`rsa`模塊生成RSA密鑰對(duì)。首先調(diào)用`rsa.generate_private_key`生成私鑰，指定公鑰指數(shù)（通常為65537）和密鑰長(zhǎng)度（默認(rèn)2048位）。然后通過私鑰的`public_key()`方法獲取對(duì)應(yīng)的公鑰。最后，使用`private_bytes`和`public_bytes`方法將私鑰和公鑰按照PEM格式序列化并保存到指定的文件路徑。`serialization.NoEncryption()`表示不使用加密，直接導(dǎo)出密鑰。二、```pythonfromcryptography.hazmat.primitives.asymmetricimportpaddingfromcryptography.hazmat.primitivesimporthashesfromcryptography.hazmat.primitives.serializationimportload_pem_public_keyimportosdefencrypt_data_with_rsa_public_key(data,public_key_file_path):#讀取公鑰文件withopen(public_key_file_path,"rb")asf:public_key=load_pem_public_key(f.read())#對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密#使用OAEP填充方案，推薦用于RSA加密encrypted_data=public_key.encrypt(data.encode(),padding.OAEP(mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),algorithm=hashes.SHA256(),label=None))returnencrypted_data```解析思路：首先使用`load_pem_public_key`函數(shù)從文件中加載RSA公鑰。然后調(diào)用公鑰的`encrypt`方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。數(shù)據(jù)需要先轉(zhuǎn)換為字節(jié)串。加密方法使用`padding.OAEP`（OptimalAsymmetricEncryptionPadding），這是推薦的非對(duì)稱加密填充方案，它結(jié)合了MD5和SHA-256哈希算法，并允許設(shè)置標(biāo)簽（`label`）。`data.encode()`將輸入的字符串?dāng)?shù)據(jù)編碼為字節(jié)串。三、```pythonimportipaddressdefcheck_access(ip_address,api_path):#將字符串IP地址轉(zhuǎn)換為IPv4地址對(duì)象try:ip=ipaddress.ip_address(ip_address)exceptValueError:#如果IP地址格式不正確，直接拒絕訪問returnFalse#檢查IP是否在/24網(wǎng)段內(nèi)ifnotipaddress.ip_network('/24').contains(ip):returnFalse#檢查API路徑是否以/safe開頭ifnotapi_path.startswith('/safe'):returnFalse#通過所有檢查，允許訪問returnTrue```解析思路：函數(shù)首先嘗試將輸入的`ip_address`字符串轉(zhuǎn)換為`ipaddress.ip_address`對(duì)象，如果轉(zhuǎn)換失?。ǜ袷藉e(cuò)誤），則直接返回`False`。然后使用`ipaddress.ip_network('/24')`創(chuàng)建一個(gè)表示網(wǎng)段的IPv4網(wǎng)絡(luò)對(duì)象，并調(diào)用其`contains`方法檢查IP地址是否屬于該網(wǎng)段。接著，使用字符串的`startswith`方法檢查`api_path`是否以`/safe`開頭。只有兩個(gè)條件都滿足時(shí)，函數(shù)才返回`True`，表示允許訪問。四、```pythonimporthmacimporthashlibdefverify_sensor_data(data,signature,sensor_id,secret_key):#構(gòu)造用于HMAC計(jì)算的完整數(shù)據(jù)（例如，可以包含傳感器ID）#這里簡(jiǎn)單地將sensor_id拼接到data后面message=data.encode()+sensor_id.encode()#使用指定的密鑰計(jì)算HMAC-SHA256computed_hmac=hmac.new(secret_key.encode(),message,hashlib.sha256).digest()#將計(jì)算出的HMAC與接收到的簽名進(jìn)行比對(duì)returnpare_digest(computed_hmac,signature)```解析思路：函數(shù)首先構(gòu)造需要計(jì)算HMAC的消息。在這個(gè)例子中，將傳感器數(shù)據(jù)`data`和傳感器ID`sensor_id`拼接起來，并使用`.encode()`轉(zhuǎn)換為字節(jié)串。然后，使用`hmac.new`創(chuàng)建一個(gè)HMAC對(duì)象，指定密鑰（`secret_key`編碼為字節(jié)串）、哈希算法（`hashlib.sha256`）和待計(jì)算的消息。調(diào)用`digest()`方法獲取計(jì)算出的HMAC字節(jié)串。最后，使用`pare_digest`（也稱為安全比較函數(shù)）來比較計(jì)算出的HMAC與傳入的`signature`。`compare_digest`可以防止時(shí)序攻擊，提高比較的安全性。五、```pythonimportsocketimportsslfromcryptography.hazmat.backendsimportdefault_backendfromcryptography.hazmat.primitives.serializationimportload_pem_private_keydefestablish_tls_connection(server_address,server_port,cert_file_path,key_file_path,ca_cert_file_path):try:#加載客戶端私鑰和證書withopen(cert_file_path,"rb")asf:client_cert=f.read()withopen(key_file_path,"rb")asf:private_key=load_pem_private_key(f.read(),password=None,backend=default_backend())#創(chuàng)建SSL上下文，設(shè)置為客戶端模式context=ssl.create_default_context(ssl.Purpose.SERVER_AUTH,backend=default_backend())#加載客戶端證書context.load_cert_chain(certfile=client_cert,keyfile=key_file_path)#加載CA證書以驗(yàn)證服務(wù)器身份context.load_verify_locations(cafile=ca_cert_file_path)#開啟服務(wù)器名指示（如果需要）#context.check_hostname=True#創(chuàng)建普通socket連接sock=socket.create_connection((server_address,server_port))#使用SSL上下文包裝socket，建立TLS連接tls_sock=context.wrap_socket(sock,server_hostname=server_address)returntls_sockexcept(socket.error,ssl.SSLError)ase:print(f"TLSconnectionfailed:{e}")returnNone```解析思路：函數(shù)首先嘗試從文件中加載客戶端的私鑰和證書文件，以及服務(wù)器的CA證書文件。然后創(chuàng)建一個(gè)默認(rèn)的SSL上下文，指定用途為`ssl.Purpose.SERVER_AUTH`（客戶端連接服務(wù)器并驗(yàn)證服務(wù)器身份）。通過`load_cert_chain`將客戶端證書和私鑰加載到上下文中，通過`load_verify_locations`加載CA證書文件，用于驗(yàn)證服務(wù)器的TLS證書是否由可信CA簽發(fā)。接著，使用`socket.create_connection`創(chuàng)建一個(gè)普通的TCP連接。最后，調(diào)用`context.wrap_socket`將普通socket包裝成SSLsocket，完成TLS握手。如果在任何步驟中發(fā)生`socket.error`或`ssl.SSLError`異常，捕獲該異常并打印錯(cuò)誤信息，返回`None`表示連接失敗。六、```pythonimportyamlfromcryptography.hazmat.primitives.ciphersimportCipher,algorithms,modesfromcryptography.hazmat.backendsimportdefault_backendfromcryptography.hazmat.primitivesimportpaddingimportosdefencrypt_and_save_config(input_file_name,output_file_name,key):try:#讀取YAML配置文件withopen(input_file_name,'r',encoding='utf-8')asf:config_data=yaml.safe_load(f)#將配置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串config_str=yaml.dump(config_data)#創(chuàng)建AES密鑰（確保密鑰長(zhǎng)度符合AES要求，16/24/32字節(jié)）key_bytes=key.encode()iflen(key_bytes)notin(16,24,32):raiseValueError("AESkeymustbe16,24,or32byteslong.")#生成隨機(jī)初始化向量IViv=os.urandom(16)#AES塊大小為16字節(jié)#創(chuàng)建AES加密實(shí)例（CBC模式）cipher=Cipher(algorithms.AES(key_bytes),modes.CBC(iv),backend=default_backend())encryptor=cipher.encryptor()#對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行填充padder=padding.PKCS7(algorithms.AES.block_size).padder()padded_data=padder.update(config_str.encode())+padder.finalize()#加密數(shù)據(jù)encrypted_data=encryptor.update(pa