python crypto

1. 介绍

在现代信息社会中，数据的安全问题尤为重要。而加密是一种常用的保护数据安全的方法之一。加密可以有效地防止第三方对数据的窃取、篡改和伪造。Python 提供了一系列强大的加密解密库，使得我们能够轻松地在应用程序中实现各种加密算法。本文将详细介绍 Python 中常用的加密解密技术和库。

2. 对称加密

2.1 概述

对称加密是一种使用同一密钥进行加密和解密的加密方法。简单来说，对称加密就是使用一把密钥将明文加密得到密文，再使用同一把密钥将密文解密回明文。

2.2 示例代码

import cryptography
from cryptography.fernet import Fernet

# 生成密钥
key = Fernet.generate_key()

# 创建 Fernet 对象
cipher = Fernet(key)

# 加密明文
plaintext = b"Hello, World!"
ciphertext = cipher.encrypt(plaintext)

# 解密密文
decrypted_text = cipher.decrypt(ciphertext)

print("明文: ", plaintext)
print("密文: ", ciphertext)
print("解密后的明文: ", decrypted_text)

2.3 运行结果

明文:  b'Hello, World!'
密文:  b'...'
解密后的明文:  b'Hello, World!'

2.4 解析

在示例代码中，首先使用 Fernet.generate_key() 方法生成了一把密钥。然后，我们创建了一个 Fernet 对象 cipher，并将生成的密钥传入该对象进行初始化。接下来，我们使用 cipher.encrypt() 方法加密了明文 Hello, World!，并将加密后的结果存储在变量 ciphertext 中。最后，我们使用 cipher.decrypt() 方法将密文解密回明文，并将结果存储在 decrypted_text 变量中。

对称加密算法有很多种，例如 AES、DES、RC4 等。在示例代码中，我们使用了 Fernet 对称加密算法。Fernet 是一个高级、易用的对称加密算法，基于 AES 算法和 HMAC（加密哈希消息认证码）算法。

3. 非对称加密

3.1 概述

非对称加密也称为公钥加密，使用一对密钥进行加密和解密，其中一个密钥是公开的，称为公钥，另一个密钥是保密的，称为私钥。公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。

3.2 示例代码

import cryptography
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding

# 生成密钥对
private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048
)
public_key = private_key.public_key()

# 加密明文
plaintext = b"Hello, World!"
ciphertext = public_key.encrypt(
    plaintext,
    padding.OAEP(
        mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
        algorithm=hashes.SHA256(),
        label=None
    )
)

# 解密密文
decrypted_text = private_key.decrypt(
    ciphertext,
    padding.OAEP(
        mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
        algorithm=hashes.SHA256(),
        label=None
    )
)

print("明文: ", plaintext)
print("密文: ", ciphertext)
print("解密后的明文: ", decrypted_text)

3.3 运行结果

明文:  b'Hello, World!'
密文:  b'...'
解密后的明文:  b'Hello, World!'

3.4 解析

在示例代码中，首先，我们使用 rsa.generate_private_key() 方法生成了一对密钥，其中 public_exponent 表示公钥的指数，而 key_size 表示密钥的长度。接下来，我们通过私钥 private_key 可以获得公钥 public_key。

使用公钥进行加密时，我们使用公钥的 encrypt() 方法，同时指定加密算法和填充方式。在示例代码中，我们使用了 OAEP（Optimal Asymmetric Encryption Padding）填充方式和 SHA256 哈希算法。解密时，我们使用私钥的 decrypt() 方法，并同样指定解密算法和填充方式。

非对称加密算法有很多种，例如 RSA、DSA。在示例代码中，我们使用了 RSA 非对称加密算法。

4. 消息摘要

4.1 概述

消息摘要（又称哈希函数）是一种将任意大小的数据映射为固定大小的数据的函数。它可以将输入的数据生成一段固定长度的唯一表示，用于校验数据的完整性和唯一性。

4.2 示例代码

import cryptography
from cryptography.hazmat.primitives import hashes

# 计算消息摘要
message = b"Hello, World!"
digest = hashes.Hash(hashes.SHA256())
digest.update(message)
hash_value = digest.finalize()

print("原始消息: ", message)
print("消息摘要: ", hash_value)

4.3 运行结果

原始消息:  b'Hello, World!'
消息摘要:  b'...'

4.4 解析

在示例代码中，我们首先创建了一个哈希函数对象 digest，并指定了哈希算法为 SHA256。然后，我们使用 digest.update() 方法向哈希函数对象中输入消息。

最后，我们使用 digest.finalize() 方法获取消息摘要，存储在 hash_value 变量中。

常用的消息摘要算法有 SHA256、SHA512、MD5 等。在示例代码中，我们使用了 SHA256 消息摘要算法。

5. 对称加密与非对称加密的对比

5.1 强度

对称加密算法具有较高的加密和解密速度，但对密钥的管理要求较高，也不利于密钥的分发。而非对称加密算法相对于对称加密算法而言，加密和解密的速度较慢，但其密钥的管理和分发相对较为容易。

5.2 密钥的数量

对称加密算法只有一个密钥用于加密和解密，这意味着所有的参与者都需要共享同一个密钥。而非对称加密算法则需要一对密钥，一个公钥用于加密，私钥用于解密。公钥可以公开，私钥必须保密。

5.3 安全性

在对称加密算法中，由于加密和解密使用的是同一密钥，密钥的安全性尤为重要。一旦密钥被泄露，所有的加密数据都会暴露在黑客面前。而非对称加密算法则更安全，因为即使公钥被泄露，也无法推导出私钥。

5.4 应用场景

对称加密算法适用于大量数据传输时，例如在网络通信中保护数据的传输安全。非对称加密算法适用于提供数字签名、身份验证等应用场景。

6. 加密解密库

6.1 cryptography

cryptography 是一个功能强大的加密解密库，它支持对称加密、非对称加密、哈希函数、消息摘要等功能。该库提供了简洁的 API 接口，使用起来非常方便。

6.1.1 安装

使用 pip 安装 cryptography 库：

pip install cryptography

6.1.2 示例代码

import cryptography
from cryptography.fernet import Fernet
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding
from cryptography.hazmat.primitives import hashes

# 对称加密示例
key = Fernet.generate_key()
cipher = Fernet(key)
plaintext = b"Hello, World!"
ciphertext = cipher.encrypt(plaintext)
decrypted_text = cipher.decrypt(ciphertext)
print("对称加密示例：")
print("明文: ", plaintext)
print("密文: ", ciphertext)
print("解密后的明文: ", decrypted_text)

# 非对称加密示例
private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048
)
public_key = private_key.public_key()
ciphertext = public_key.encrypt(
    plaintext,
    padding.OAEP(
        mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
        algorithm=hashes.SHA256(),
        label=None
    )
)
decrypted_text = private_key.decrypt(
    ciphertext,
    padding.OAEP(
        mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
        algorithm=hashes.SHA256(),
        label=None
    )
)
print("非对称加密示例：")
print("明文: ", plaintext)
print("密文: ", ciphertext)
print("解密后的明文: ", decrypted_text)

# 消息摘要示例
message = b"Hello, World!"
digest = hashes.Hash(hashes.SHA256())
digest.update(message)
hash_value = digest.finalize()
print("消息摘要示例：")
print("原始消息: ", message)
print("消息摘要: ", hash_value)

6.1.3 运行结果

对称加密示例：
明文:  b'Hello, World!'
密文:  b'...'
解密后的明文:  b'Hello, World!'

非对称加密示例：
明文:  b'Hello, World!'
密文:  b'...'
解密后的明文:  b'Hello, World!'

消息摘要示例：
原始消息:  b'Hello, World!'
消息摘要:  b'...'

6.2 PyCryptodome

PyCryptodome 是一个强大的加密解密库，支持对称加密、非对称加密、哈希函数等功能。该库是基于 pycrypto 开发的，提供了更好的性能和更多的功能。

6.2.1 安装

使用 pip 安装 PyCryptodome 库：

pip install pycryptodome

6.2.2 示例代码

import Crypto
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
from Crypto.Cipher import AES, PKCS1_OAEP
from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Hash import SHA256

# 对称加密示例
key = Crypto.Random.get_random_bytes(16)
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
plaintext = b"Hello, World!"
data = pad(plaintext, AES.block_size)
ciphertext = cipher.encrypt(data)
decrypted_text = unpad(cipher.decrypt(ciphertext), AES.block_size)
print("对称加密示例：")
print("明文: ", plaintext)
print("密文: ", ciphertext)
print("解密后的明文: ", decrypted_text)

# 非对称加密示例
private_key = RSA.generate(2048)
public_key = private_key.publickey()
cipher = PKCS1_OAEP.new(public_key)
ciphertext = cipher.encrypt(plaintext)
cipher = PKCS1_OAEP.new(private_key)
decrypted_text = cipher.decrypt(ciphertext)
print("非对称加密示例：")
print("明文: ", plaintext)
print("密文: ", ciphertext)
print("解密后的明文: ", decrypted_text)

# 消息摘要示例
message = b"Hello, World!"
hash_object = SHA256.new(message)
hash_value = hash_object.digest()
print("消息摘要示例：")
print("原始消息: ", message)
print("消息摘要: ", hash_value)

6.2.3 运行结果

对称加密示例：
明文:  b'Hello, World!'
密文:  b'...'
解密后的明文:  b'Hello, World!'

非对称加密示例：
明文:  b'Hello, World!'
密文:  b'...'
解密后的明文:  b'Hello, World!'

消息摘要示例：
原始消息:  b'Hello, World!'
消息摘要:  b'...'

6.3 hashlib

hashlib 是 Python 内置的哈希函数库，提供了多种哈希算法，例如 MD5、SHA1、SHA256 等。该库使用简单方便，可以轻松地计算消息摘要。

6.3.1 示例代码

import hashlib

# 计算消息摘要
message = b"Hello, World!"
hash_object = hashlib.sha256(message)
hash_value = hash_object.digest()
print("原始消息: ", message)
print("消息摘要: ", hash_value)

6.3.2 运行结果

原始消息:  b'Hello, World!'
消息摘要:  b'...'

6.4 小结

在本节中，我们介绍了三个常用的加密解密库：cryptography、PyCryptodome 和 hashlib。这些库提供了丰富的功能，使得我们能够轻松地实现各种加密解密算法和哈希函数。根据实际需求，选择适合的库进行开发。