Python3.10耙梳加密算法Encryption種類及開發(fā)場景
正文
不用說火爆一時,全網(wǎng)熱議的Web3.0區(qū)塊鏈技術(shù),也不必說諸如微信支付、支付寶支付等人們幾乎每天都要使用的線上支付業(yè)務(wù),單是一個簡簡單單的注冊/登錄功能,也和加密技術(shù)脫不了干系,本次我們耙梳各種經(jīng)典的加密算法,試圖描摹加密算法在開發(fā)場景中的運(yùn)用技巧。
可逆加密算法(對稱加密)
加密算法是一種將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為加密數(shù)據(jù)的方法。根據(jù)加密算法的不同特征,可以將其分為可逆加密算法和不可逆加密算法。
可逆加密算法也稱為對稱加密算法,其加密和解密過程使用相同的密鑰。在這種算法中,加密數(shù)據(jù)可以通過解密算法還原為原始數(shù)據(jù)。這種算法通常用于保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性,例如保護(hù)存儲在計算機(jī)硬盤上的文件或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
說白了,就是在數(shù)據(jù)的傳輸過程中加密,真正在業(yè)務(wù)中使用的時候,還是用明文。
比如,使用AES加密算法對文件進(jìn)行加密:
from Crypto.Cipher import AES import os # 生成一個16字節(jié)的密鑰 key = os.urandom(16) # 初始化加密算法 cipher = AES.new(key, AES.MODE_EAX) # 讀取要加密的文件 with open('plaintext.txt', 'rb') as f: plaintext = f.read() # 對文件進(jìn)行加密 ciphertext, tag = cipher.encrypt_and_digest(plaintext) # 將加密后的文件保存到磁盤上 with open('ciphertext.txt', 'wb') as f: f.write(cipher.nonce) f.write(tag) f.write(ciphertext)
或者使用DES算法:
from Crypto.Cipher import DES # 生成一個8字節(jié)的密鑰 key = b'secretke' # 初始化加密算法 cipher = DES.new(key, DES.MODE_ECB) # 要加密的字符串 plaintext = b'Hello, World!' # 對字符串進(jìn)行加密 ciphertext = cipher.encrypt(plaintext) # 將加密后的字符串轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制格式并輸出 print(ciphertext.hex())
在網(wǎng)絡(luò)傳輸領(lǐng)域,對稱加密一般都是在JWT的Token令牌加密環(huán)節(jié)使用:
class MyJwt: def __init__(self): # 密鑰 self.secret = "1234" # 加密方法(加入生命周期) def encode_time(self,userinfo,lifetime=300): # 單獨(dú)聲明載荷playload playload = { 'exp':(datetime.datetime.now()+datetime.timedelta(seconds=lifetime)).timestamp(), 'data':userinfo } res = jwt.encode(playload,self.secret,algorithm='HS256') return res # 加密方法 async def encode(self,userinfo): res = jwt.encode(userinfo,self.secret,algorithm='HS256') return res # 解密算法 async def decode(self,jwt_str): res = jwt.decode(jwt_str,self.secret,algorithms=['HS256']) return res
在實際應(yīng)用中,需要選擇適合具體場景的加密算法和密鑰長度,并采取適當(dāng)?shù)陌踩胧﹣肀Wo(hù)密鑰,因為對于可逆加密算法來說,秘鑰一旦泄露,帶來的后果將會是災(zāi)難性的。
不可逆加密算法(哈希)
不可逆加密(也稱哈希算法)通常用于對密碼或者數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或驗證,保證密碼或數(shù)據(jù)的安全性。相比對稱加密或非對稱加密,哈希算法不需要密鑰進(jìn)行加密或解密,因此更加方便和高效,但它不支持解密,一旦加密后的結(jié)果生成,就無法恢復(fù)原始數(shù)據(jù),不可逆加密算法的最常見應(yīng)用場景就是把用戶的明文密碼加密成為密文。
比如使用SHA-256哈希算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密:
import hashlib # 加密數(shù)據(jù) message = b'hello world' hash_object = hashlib.sha256(message) encrypted_data = hash_object.hexdigest() print(encrypted_data)
或者使用bcrypt算法對密碼進(jìn)行加密:
import bcrypt # 加密密碼 password = b'mysecretpassword' salt = bcrypt.gensalt() hashed_password = bcrypt.hashpw(password, salt) # 驗證密碼 password_to_check = b'mysecretpassword' if bcrypt.checkpw(password_to_check, hashed_password): print("Password is valid!") else: print("Invalid password.")
又或是使用scrypt算法對密碼進(jìn)行加密:
import scrypt # 加密密碼 password = b'mysecretpassword' salt = b'saltsaltsalt' encrypted_password = scrypt.hash(password, salt, N=16384, r=8, p=1) # 驗證密碼 password_to_check = b'mysecretpassword' if scrypt.hash(password_to_check, salt, N=16384, r=8, p=1) == encrypted_password: print("Password is valid!") else: print("Invalid password.")
原理上大同小異,都是基于散列(hash)算法將原始數(shù)據(jù)映射到一個固定長度的密文上,由于不可逆加密(哈希算法)是一種單向的加密方式,無法通過解密來恢復(fù)原始數(shù)據(jù),因此暴力 破解的哈希算法通常是通過對大量的可能性進(jìn)行窮舉來嘗試匹配原始數(shù)據(jù):
import hashlib # 加載包含密碼列表的文件 with open('passwords.txt', 'r') as f: passwords = f.read().splitlines() # 加載哈希值 hash_value = '5d41402abc4b2a76b9719d911017c592' # 嘗試匹配密碼 for password in passwords: if hashlib.md5(password.encode()).hexdigest() == hash_value: print(f"Password found: {password}") break else: print("Password not found.")
網(wǎng)絡(luò)上所謂的數(shù)據(jù)庫被“脫庫”,實際上泄露的是密文,隨后黑客使用MD5哈希算法來嘗試匹配密碼。如果密碼匹配成功,則輸出匹配的密碼,否則輸出密碼未找到。當(dāng)然了,像CSDN這種奇行種用明文存密碼的奇葩行為藝術(shù),不能當(dāng)作普遍現(xiàn)象來考慮。
但其實,所謂的“窮舉”也不是真正意義上的窮舉,因為人類設(shè)置密碼就那些規(guī)律,出生日期手機(jī)號之類,如果是熟人,不可逆加密很容易被試出來,所以為了避免被黑客“試出來”密碼,密碼首先就是要長,要包含數(shù)字,大小寫,和符號,這樣可以最大化密碼的可能性。數(shù)字10種可能,小寫字母26種可能,大寫字母26種可能,符號34種可能,如果長度是16位,隨機(jī)一點(diǎn),那可能的密碼可能就是96的16次方,有6萬萬億種可能,這要是試出來的話,那得是猴年馬月了:
最后,不可逆加密算法還可以通過增加鹽值、增加迭代次數(shù)等措施來提高密文的安全性。
非對稱加密
非對稱加密也是一種加密算法,然而與上文所述的對稱加密算法不同,它使用一對公私鑰(公鑰和私鑰)來加密和解密數(shù)據(jù)。在非對稱加密中,公鑰是公開的,任何人都可以使用它來加密數(shù)據(jù),但只有持有私鑰的人才能夠解密數(shù)據(jù)。
非對稱加密算法在以下場景中得到廣泛應(yīng)用:
安全通信:非對稱加密可以保護(hù)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的安全性,如 HTTPS 協(xié)議中使用非對稱加密算法保護(hù)網(wǎng)站和用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸。
數(shù)字簽名:非對稱加密可以使用私鑰對文件或者數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名,以驗證文件或數(shù)據(jù)的完整性和真實性,如數(shù)字證書中使用非對稱加密算法保護(hù)數(shù)字簽名的安全性。
身份驗證:非對稱加密可以使用私鑰進(jìn)行身份驗證,例如SSH登錄或者遠(yuǎn)程桌面等,使用公鑰進(jìn)行身份認(rèn)證和加密通訊。
在Python3.10中,可以使用標(biāo)準(zhǔn)庫中的 cryptography 模塊來實現(xiàn)非對稱加密,以下是使用 cryptography 模塊生成一對公私鑰的示例:
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding from cryptography.hazmat.primitives import serialization # 生成公私鑰 private_key = rsa.generate_private_key(public_exponent=65537, key_size=2048) public_key = private_key.public_key() # 將公鑰和私鑰保存到文件 with open('private_key.pem', 'wb') as f: f.write(private_key.private_bytes( encoding=serialization.Encoding.PEM, format=serialization.PrivateFormat.PKCS8, encryption_algorithm=serialization.NoEncryption())) with open('public_key.pem', 'wb') as f: f.write(public_key.public_bytes( encoding=serialization.Encoding.PEM, format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo))
這里使用 rsa 模塊生成了一對公私鑰,并使用 serialization 模塊將公私鑰保存到文件中。在實際使用中,公鑰可以公開使用,而私鑰應(yīng)該保存在安全的地方以確保數(shù)據(jù)的安全性。
在支付系統(tǒng)中,非對稱加密的應(yīng)用非常廣泛,主要用這套加密算法來生成簽名和驗簽操作,用來保證支付過程中的安全性,以支付寶支付為例子:
def sign(self, unsigned_string): # 開始計算簽名 key = self.app_private_key signer = PKCS1_v1_5.new(key) signature = signer.sign(SHA256.new(unsigned_string)) # base64 編碼,轉(zhuǎn)換為unicode表示并移除回車 sign = encodebytes(signature).decode("utf8").replace("\n", "") return sign def _verify(self, raw_content, signature): # 開始計算簽名 key = self.alipay_public_key signer = PKCS1_v1_5.new(key) digest = SHA256.new() digest.update(raw_content.encode("utf8")) if signer.verify(digest, decodebytes(signature.encode("utf8"))): return True return False
公鑰用來生成簽名,私鑰用來驗證簽名。
區(qū)塊鏈與非對稱加密
非對稱加密在區(qū)塊鏈領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€去中心化的分布式賬本系統(tǒng),由于其去中心化的特點(diǎn),任何人都可以加入網(wǎng)絡(luò)并參與交易,因此需要使用非對稱加密來保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私和安全性。
以下是一些非對稱加密在區(qū)塊鏈領(lǐng)域中的應(yīng)用:
數(shù)字簽名:在區(qū)塊鏈中,數(shù)字簽名用于驗證交易的真實性和完整性。數(shù)字簽名的過程是使用私鑰對交易數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名,然后在交易中包含簽名和公鑰,其他人可以使用公鑰驗證交易的真實性和完整性。
共識算法:區(qū)塊鏈中的共識算法用于確定哪些交易應(yīng)該被添加到區(qū)塊中。共識算法通常需要參與者提供一定數(shù)量的加密學(xué)證據(jù),如哈希值或數(shù)字簽名,以證明他們有權(quán)參與共識。
區(qū)塊鏈錢包:區(qū)塊鏈錢包是用于存儲和管理數(shù)字貨幣的介質(zhì)。錢包通常使用非對稱加密來保護(hù)用戶的私鑰,確保用戶的數(shù)字貨幣不被盜竊或篡改。
加密貨幣交易所:加密貨幣交易所是用于買賣數(shù)字貨幣的平臺。交易所通常使用非對稱加密來保護(hù)用戶的身份信息和交易數(shù)據(jù)的安全性。
可以使用Python3.10來完成區(qū)塊鏈中的數(shù)字簽名,同樣使用Python的加密庫 cryptography 來生成公私鑰對、簽名和驗證簽名。下面是一個簡單的示例代碼:
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import ec from cryptography.hazmat.primitives import serialization, hashes from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric.utils import encode_dss_signature, decode_dss_signature # 生成橢圓曲線公私鑰對 private_key = ec.generate_private_key(ec.SECP256K1()) public_key = private_key.public_key() # 對數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名 data = b"hello, world" signature = private_key.sign(data, ec.ECDSA(hashes.SHA256())) # 將簽名和數(shù)據(jù)一起傳輸 signature_bytes = encode_dss_signature(*signature) data_with_signature = (data, signature_bytes) # 驗證簽名 data, signature_bytes = data_with_signature signature = decode_dss_signature(signature_bytes) public_key.verify(signature, data, ec.ECDSA(hashes.SHA256()))
首先,我們使用 ec.generate_private_key(ec.SECP256K1()) 方法生成一個橢圓曲線私鑰。然后,我們可以通過 private_key.public_key() 方法獲取對應(yīng)的公鑰。
接著,我們使用私鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名。這里使用 SHA256 哈希算法來計算數(shù)據(jù)的哈希值,并使用 ECDSA 簽名算法對哈希值進(jìn)行簽名。
隨后,我們將簽名和數(shù)據(jù)一起傳輸。在實際應(yīng)用中,簽名和數(shù)據(jù)通常都是以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行傳輸。
最后,我們可以使用公鑰來驗證簽名。首先,我們需要將簽名從字節(jié)數(shù)據(jù)解碼為兩個整數(shù)。然后,我們可以使用 public_key.verify() 方法來驗證簽名是否正確。如果簽名正確,這個方法將不會拋出異常;否則,將會拋出 InvalidSignature 異常。
結(jié)語
加密技術(shù)隸屬于應(yīng)用密碼學(xué)的范疇,旨在保護(hù)信息的機(jī)密性和完整性,以確保只有授權(quán)的人可以訪問和使用該信息。加密技術(shù)主要涉及兩種類型的算法就是本文提到的:對稱加密和非對稱加密。
密碼學(xué)在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用非常廣泛,包括互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)、數(shù)字支付、電子郵件、社交網(wǎng)絡(luò)等。它是保護(hù)個人隱私和商業(yè)機(jī)密的重要工具。同時,密碼學(xué)也是許多高級安全協(xié)議和系統(tǒng)的基礎(chǔ),例如 SSL/TLS(https/wss)、SSH、PGP、IPSec、Kerberos 等等。
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