如何使用 Python 生成由随机非零字节组成的字节字符串？

Question

作为实现 RSA 的PKCS #1 v1.5 填充方案的一部分，我需要生成一个长度为 n 的八位字节字符串，其中包含伪随机生成的非零八位字节。 我正在寻找使用 Python 执行此操作的最佳方法。

这是我当前的实现的样子：

def nonzero_random_bytes(n: int) -> bytes:
    values = [x.to_bytes(1, "big") for x in range(1, 256)]
    seq = [secrets.choice(values) for _ in range(n)]
    return b"".join(seq)

我查看了使用secrets.token_bytes(n) 生成字节字符串、过滤结果并生成非零值以回填字符串。我知道我也可以执行secrets.token_bytes(2 * n) 之类的操作、过滤和修剪结果，但这并不是一个优雅的解决方案。

我还研究了 PyCryptodome 和 python-pkcs1 是如何做到这一点的，但我认为一定有更好的方法（我在 pyca/cryptography 周围闲逛 但找不到他们是如何做到的 似乎他们使用 OpenSSL 绑定 - here's 我认为这是实现的）。

免责声明：我知道我不应该使用 PKCS1 v1.5，更不用说自己推出任何加密代码了。这纯粹是一个学术练习。 :)

Answer 1

您没有定义“最佳”对您意味着什么。我会选择这个，这基本上是一种不那么罗嗦的方式来做你已经做过的事情：

from secrets import randbelow

def nonzero_random_bytes(n: int) -> bytes:
    return bytes(randbelow(255) + 1 for _ in range(n))

Answer 2

与蒂姆几乎相同，但认为“最好”可能需要速度。 n = 250 的基准（“可能是 100-400”范围的中间）：

471.3 us  nonzero_random_bytes_original
438.3 us  nonzero_random_bytes_randbelow
  4.7 us  nonzero_random_bytes_2n
  3.1 us  nonzero_random_bytes_plus10

代码（Try it online!）：

from timeit import timeit
import secrets

def nonzero_random_bytes_original(n: int) -> bytes:
    values = [x.to_bytes(1, "big") for x in range(1, 256)]
    seq = [secrets.choice(values) for _ in range(n)]
    return b"".join(seq)

def nonzero_random_bytes_randbelow(n: int) -> bytes:
    return bytes(1 + secrets.randbelow(255) for _ in range(n))

def nonzero_random_bytes_2n(n: int) -> bytes:
    return secrets.token_bytes(2 * n).replace(b'\0', b'')[:n]

def nonzero_random_bytes_plus10(n: int) -> bytes:
    result = b''
    while need := n - len(result):
        result += secrets.token_bytes(need + 10).replace(b'\0', b'')[:need]
    return result

funcs = [
    nonzero_random_bytes_original,
    nonzero_random_bytes_randbelow,
    nonzero_random_bytes_2n,
    nonzero_random_bytes_plus10,
]

for _ in range(3):
    for func in funcs:
        t = timeit(lambda: func(250), number=1000)
        print('%5.1f us ' % (t * 1e3), func.__name__)
    print()