python中cryptography庫的實現(xiàn)
更新時間：2025年01月15日 11:28:20 作者：羽丶千落
本文主要介紹了python中cryptography庫的實現(xiàn),包括Fernet、hash、AES、RSA等加密算法的使用,具有一定的參加價值,感興趣的可以了解一下
1-安裝
pip install cryptography
2-cryptography學習
查看cryptography的目錄結(jié)構(gòu)
cryptography/ hazmat/ # 主要目錄，對稱加解密的庫文件都在此目錄下 backends/ # 此目錄暫不做研究，此目錄跟openssl關聯(lián)較大 bindings/ # 此目錄暫不做研究，此目錄跟openssl有關 primitives/ # 本文主要學習此目錄下的內(nèi)容，包含對數(shù)據(jù)的填充，對稱加解密，以及非對稱加解密，公鑰和私鑰的簽名驗簽 asymmetric/ 非對稱密碼相關內(nèi)容，有需要可對文件內(nèi)容詳細了解【常用rsa.py】 ciphers/ 對稱加密算法內(nèi)容，本文主要講述的內(nèi)容 -- aead.py：aesd算法內(nèi)容，含ChaCha20Poly1305、AESCCM、AESGCM、AESOCB3。 -- algorithms.py：對稱算法的主要內(nèi)容，含AES、Camellia、TripleDES、ChaCha20、SM4等等 -- base.py：實際使用中基本用不到 -- modes.py：加密模式 kdf/ # 加密密鑰派生和密鑰存儲相關，有需要自行了解 serialization/ 序列化相關，有需要自行了解 twofactor/ 該模塊包含與雙因素認證相關的算法。目前，它包含了一種基于基于哈希的消息身份驗證碼（HMAC）來生成和驗證一次性密碼值的算法。有需要自行了解 -- cmac.py：cmac相關 -- constant_time.py -- hashes.py：加密哈希函數(shù)接 -- hmac.py：hmac算法 -- keywrap.py：沒有用過 -- padding.py：填充 -- poly1305.py：poly1305算法 -- ....其他文件 x509/ # x509證書相關內(nèi)容 -- fernet.py：對稱算法的實現(xiàn)，使用cryptography最基礎的使用，
2.1-fernet的使用
cryptography最基本的使用
Fernet方法的簡單介紹
classmethod generate_key()：類方法，用于生成base64-encoded 32-byte key. encrypt(data)：實例方法，加密數(shù)據(jù) encrypt_at_time(data, current_time)：使用顯式傳遞的當前時間加密傳遞的數(shù)據(jù) decrypt(token, ttl=None)：實例方法，解密數(shù)據(jù) decrypt_at_time(token, ttl, current_time)：使用顯式傳遞的當前時間來解密令牌 extract_timestamp(token)：返回該令牌的時間戳。然后，調(diào)用者可以決定令牌是否即將到期，例如，發(fā)出一個新的令牌 MultiFernet(fernets)：MultiFernet類，這個類為Fernet實現(xiàn)了密鑰流轉(zhuǎn)。它接受一個Fernet實例列表，并實現(xiàn)相同的API
Fernet的使用示例
示例來源于庫文檔介紹中的內(nèi)容
Cryptography Documentation Release 43.0.0.dev1
>>> from cryptography.fernet import Fernet >>> key = Fernet.generate_key() >>> f = Fernet(key) >>> token = f.encrypt(b"my deep dark secret") >>> token b'...' # 每一次的結(jié)果都是不同的 >>> f.decrypt(token) b'my deep dark secret'
2.2-padding填充
padding.py提供PKCS7和ANSIX923填充方式PKCS7：填充到指定長度，填充內(nèi)容為填充的長度ANSIX923：填充最后一個字節(jié)為長度，其余的為0
這里以PKCS7為例：
import binascii
from cryptography.hazmat.primitives import padding
class MyPadding:
def __init__(self, block_size: int):
self.block_size = block_size
def padding(self, padding_data):
b_padding_data = padding_data.encode('utf8')
padder = padding.PKCS7(block_size=self.block_size).padder()
result = padder.update(b_padding_data) + padder.finalize()
return result
def unpadding(self, unpadding_data):
unpadder = padding.PKCS7(block_size=self.block_size).unpadder()
result = unpadder.update(unpadding_data) + unpadder.finalize()
return result
if __name__ == '__main__':
my_padding = MyPadding(128)
data = "123456789"
p = my_padding.padding(data)
print(p)
print(type(p))
print(binascii.b2a_hex(p))
d = my_padding.unpadding(p)
print(d)
'''
b'123456789\x07\x07\x07\x07\x07\x07\x07'
<class 'bytes'>
b'31323334353637383907070707070707'
b'123456789'
'''
ANSIX923：
>>> padder = padding.ANSIX923(128).padder() >>> padded_data = padder.update(b"11111111111111112222222222") >>> padded_data += padder.finalize() >>> padded_data b'11111111111111112222222222\x00\x00\x00\x00\x00\x06' >>> unpadder = padding.ANSIX923(128).unpadder() >>> data = unpadder.update(padded_data) >>> data += unpadder.finalize() >>> data b'11111111111111112222222222'
2.3-Hash
這里簡單的展示cryptography庫hash的使用。
- 實例hash對象hashes.HASH(hashes.‘hash_name’()) -> 把‘hash_name’替換為哈希算法名即可，比如SHA1，SHA256等等，如果不清楚支持哪些，可以查看hashes.py文件，里面有列舉
- 如果hash內(nèi)容很多，可以分多次update，沒有內(nèi)容了，最后finalize即可
- HASH：SHA1，SHA512_224，SHA512_256，SHA224，SHA256，SHA384，SHA512，SHA3_224，SHA3_256，SHA3_384，SHA3_512，SHAKE128，SHAKE256，MD5，BLAKE2b，BLAKE2s，SM3
>>> from cryptography.hazmat.primitives import hashes >>> digest = hashes.Hash(hashes.SHA256()) >>> digest.update(b"abc") >>> digest.update(b"123") >>> digest.finalize() b'l\xa1=R\xcap\xc8\x83\xe0\xf0\xbb\x10\x1eBZ\x89\xe8bM\xe5\x1d\xb2\xd29%\x93\xafj\ x84\x11\x80\x90'
如果不想使用cryptography的hash，可以使用python自帶的hashlib庫完成
import hashlib
__hash__ = [ 'md5','sha1','sha224','sha256','sha384','sha512','blake2b','blake2s','ripemd160','whirlpool','sha3_224','sha3_256','sha3_384','sha3_512','sm3',]
class MyHash:
def __init__(self, hash_name: str):
self.hash_name = hash_name.lower()
def hash(self, hash_data: str):
if self.hash_name not in __hash__:
raise "unsupported hash, confirm the input hash name"
hash_object = hashlib.new(self.hash_name)
hash_object.update(hash_data.encode('utf-8'))
return hash_object.hexdigest()
if __name__ == '__main__':
data = 'abc123'
my_hash = MyHash('SHA256')
print(my_hash.hash(data))
2.4-ciphers（對稱算法AES為例）
AES等算法和CBC模式結(jié)合。使用AES加密內(nèi)容，然后解密內(nèi)容的一個簡單例子：
>>> import os >>> from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes >>> key = os.urandom(32) >>> iv = os.urandom(16) >>> cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv)) >>> encryptor = cipher.encryptor() >>> ct = encryptor.update(b"a secret message") + encryptor.finalize() >>> decryptor = cipher.decryptor() >>> decryptor.update(ct) + decryptor.finalize() b'a secret message'
封裝使用：
如需要使用其他算法，只需要根據(jù)下方封裝的，簡單修改即可，大部分只需要修改加解密中使用的算法名稱即可
#!/usr/bin/env python
# -*- coding: UTF-8 -*-
"""
需要IV的加密模式：CBC、OFB、CFB、CFB8
加密算法：["AES","Camellia","TripleDES","Blowfish","CAST5","ARC4","IDEA","SEED","ChaCha20","SM4"]
"""
import binascii
import os
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
import my_padding
MODES_NAME = ["CBC", "ECB", "OFB", "CFB"]
def gen_key(key_len):
return os.urandom(key_len)
def _model_object(alg_modes, alg_iv):
if alg_modes.upper() not in MODES_NAME:
raise "unsupported modes, confirm the input hash name"
modes_dict = {
"CBC": modes.CBC(alg_iv),
"ECB": modes.ECB(),
"OFB": modes.OFB(alg_iv),
"CFB": modes.CFB(alg_iv)
}
return modes_dict.get(alg_modes.upper())
def hex2string(hex_string):
bytes_string = binascii.a2b_hex(hex_string)
return bytes_string.decode('utf8')
class MyAES:
name = 'AES'
block_size = 128
key_sizes = frozenset([128, 192, 256, 512])
def __init__(self,
alg_key: bytes = None,
alg_modes: str = 'CBC',
alg_iv: bytes = b'1234567812345678'):
# 默認key_size,為32
if alg_key is None:
self.__alg_key = gen_key(32)
else:
self.__alg_key = alg_key
self.__alg_iv = alg_iv
self.__alg_modes = _model_object(alg_modes, alg_iv)
def get_key(self):
return binascii.b2a_hex(self.__alg_key)
def set_key(self, alg_key: bytes):
# 對alg_key進行判斷
if not isinstance(alg_key, bytes):
raise TypeError("Type error: {0} is not an instance of bytes".format(type(alg_key)))
self.__alg_key = alg_key
def get_iv(self):
return binascii.b2a_hex(self.__alg_iv)
def set_iv(self, iv: bytes):
if not isinstance(iv, bytes):
raise TypeError("Type error: {0} is not an instance of bytes".format(type(iv)))
self.__alg_iv = iv
def encrypt(self, plain_data: str):
"""
輸入字符串，完成加密操作
:param plain_data: 明文字符串
:return: 16進制密文字符串
"""
# 完成數(shù)據(jù)填充，轉(zhuǎn)為bytes后的填充數(shù)據(jù)
data_padding = my_padding.MyPadding(MyAES.block_size).padding(plain_data)
# aes對象
my_alg = Cipher(algorithms.AES(self.__alg_key), self.__alg_modes)
encryptor = my_alg.encryptor()
# 加密操作完成
result = encryptor.update(data_padding) + encryptor.finalize()
# 轉(zhuǎn)為大寫的16進制字符串輸出
return binascii.b2a_hex(result).upper().decode()
def decrypt(self, cipher_data: str):
"""
輸入16進制密文數(shù)據(jù)，返回原文
:param cipher_data: 16進制密文數(shù)據(jù)字符串
:return:
"""
cipher_data_bytes = binascii.a2b_hex(cipher_data)
my_alg = Cipher(algorithms.AES(self.__alg_key), self.__alg_modes)
decrypt = my_alg.decryptor()
# 解密操作完成
result = decrypt.update(cipher_data_bytes) + decrypt.finalize()
data_unpadding = my_padding.MyPadding(MyAES.block_size).unpadding(result)
# 轉(zhuǎn)為大寫的16進制字符串輸出
return binascii.b2a_hex(data_unpadding).upper().decode()
if __name__ == '__main__':
aes = MyAES()
data = 'hello world'
cipher = aes.encrypt(data)
plain = aes.decrypt(cipher)
print('cipher:', cipher)
print('plain:', hex2string(plain))
print('key:', aes.get_key())
print('iv:', aes.get_iv())
print('alg_name:', aes.name)
'''
cipher: 6EAE64A7B78A5C0985A1CADA8FAAB7D0
plain: hello world
key: b'4f56291a9aaa86fbd341ac5ca0bb10fa5d583d281b55f853172e83197effa0c2'
iv: b'31323334353637383132333435363738'
alg_name: AES
'''
2.5-asymmetric(非對稱算法RSA為例)
asymmetric對應的位置在//cryptography/hazmat/primitives/asymmetric路徑下，cryptography庫支持多種非對稱算法，包括：ed25519、RSA、dh、dsa、ed448等。這個以最常見的RSA算法為例。
按照官方文檔中的介紹，主要內(nèi)容為：
Generation：生成一個RSA私鑰key loading：加載PEM格式的密鑰Key serialization：密鑰序列化，可以獲取一個base64格式的密鑰Signing：用私鑰對消息進行簽名，公鑰可以對結(jié)果進行驗簽Verification：對應公鑰對消息的驗簽Encryption：使用公鑰對數(shù)據(jù)進行加密，這樣只有擁有私鑰的才可已經(jīng)進行解密Decryption：私鑰解密公鑰加密的信息Padding：RSA簽名需要一個特定的散列函數(shù)，并且需要使用填充，加密的時候也會涉及到對消息的填充Numbers：包含RSA密鑰的組成，可以獲取到對應公鑰和私鑰的組成，一般不建議使用。Handling partial RSA private keys：用不到，一般都是專業(yè)的密碼使用者才有可能用到Key interfaces：密鑰對應的主要接口
查看asymmetric目錄下的rsa.py文件，根據(jù)源碼中的內(nèi)容，學習上述的主要內(nèi)容
函數(shù)：generate_private_key
def generate_private_key(
public_exponent: int,
key_size: int,
backend: typing.Any = None,
)-> RSAPrivateKey:
pass
'''
public_exponent：指數(shù)，這個根據(jù)密碼學的知識，這個默認都是傳65537
key_size
Parameters
? public_exponent (int) – 指數(shù)，這個根據(jù)密碼學的知識，這個默認都是傳65537
? key_size (int) – 指的是私鑰長度（位），如1024bit，2048bit，4096bit
? backend - 默認即可
Returns
返回 RSAPrivateKey 類 ，這個類也是在`rsa.py`文件中定義好的
'''
類：RSAPrivateKey（私鑰類）
class RSAPrivateKey(metaclass=abc.ABCMeta):
@abc.abstractmethod
def decrypt(self, ciphertext: bytes, padding: AsymmetricPadding) -> bytes:
"""
解密提供的密文。可以看到傳參除了密文外，還需要填充算法，對應的填充算法可以查看`asymmetric`下的padding.py
"""
@property
@abc.abstractmethod
def key_size(self) -> int:
"""
密鑰的長度，也就說通過generate_private_key函數(shù)傳入的key_size
"""
@abc.abstractmethod
def public_key(self) -> RSAPublicKey:
"""
與此私鑰關聯(lián)的RSAPublicKey(也是一個類，公鑰類)。
"""
@abc.abstractmethod
def sign(
self,
data: bytes,
padding: AsymmetricPadding,
algorithm: typing.Union[asym_utils.Prehashed, hashes.HashAlgorithm],
) -> bytes:
"""
對消息進行簽名.涉及填充算法，以及hash算法
"""
@abc.abstractmethod
def private_numbers(self) -> RSAPrivateNumbers:
"""
返回RSAPrivateNumbers類，一般很少用到，不做具體研究
"""
@abc.abstractmethod
def private_bytes(
self,
encoding: _serialization.Encoding,
format: _serialization.PrivateFormat,
encryption_algorithm: _serialization.KeySerializationEncryption,
) -> bytes:
"""
返回私鑰的序列化
"""
類：RSAPublicKey（公鑰類）
class RSAPublicKey(metaclass=abc.ABCMeta):
@abc.abstractmethod
def encrypt(self, plaintext: bytes, padding: AsymmetricPadding) -> bytes:
"""
加密給定的明文
"""
@property
@abc.abstractmethod
def key_size(self) -> int:
"""
公共模的比特長度。
"""
@abc.abstractmethod
def public_numbers(self) -> RSAPublicNumbers:
"""
返回 RSAPublicNumbers 類
"""
@abc.abstractmethod
def public_bytes(
self,
encoding: _serialization.Encoding,
format: _serialization.PublicFormat,
) -> bytes:
"""
返回公鑰的序列化
"""
@abc.abstractmethod
def verify(
self,
signature: bytes,
data: bytes,
padding: AsymmetricPadding,
algorithm: typing.Union[asym_utils.Prehashed, hashes.HashAlgorithm],
) -> None:
"""
對消息進行驗簽
"""
@abc.abstractmethod
def recover_data_from_signature(
self,
signature: bytes,
padding: AsymmetricPadding,
algorithm: typing.Optional[hashes.HashAlgorithm],
) -> bytes:
"""
從簽名中恢復原始數(shù)據(jù)。
"""
@abc.abstractmethod
def __eq__(self, other: object) -> bool:
"""
Checks equality.
"""
rsa.py的其他內(nèi)容
- class RSAPrivateNumbers：RSAPrivateNumbers類，前面內(nèi)容中提到的，獲取私鑰的組成的內(nèi)容，比如p，q，d等等。如果是外部知道這些私鑰組成值，也可以用類方法private_key，返回RSAPrivateKey類
- class RSAPublicNumbers：RSAPublicNumbers類，前面內(nèi)容中提到的，獲取公鑰的組成的內(nèi)容。比如e，n，如果是外部知道這些公鑰組成值，也可以用類方法public_key，返回RSAPublicKey類
- 等等（其他是配套對函數(shù)，有興趣自行了解）
非對稱算法下的padding.py的使用
對應文件的位置：跟rsa.py文件位于同一級目錄下，這個padding文件是專門用于非對稱算法中的填充，只提供了3種填充方式：
PKCS1v15：一個簡單的填充方案，可用于簽名和加密。不建議PKCS1v15用于新應用，官方建議說是加密首選OAEP，簽名首選PSSPSS：RSA簽名推薦的填充算法。不能與RSA加密一起使用OAEP：RSA加密的填充算法。它不能與RSA簽名一起使用
# 示例 類PKCS1v15：無需任何參數(shù)，是最簡單的填充方式，每次的結(jié)果都是一樣 類OAEP：需要3個參數(shù) 參數(shù)： ? mgf – 掩碼生成函數(shù)對象. 只支持 MGF1. ? algorithm – 哈希算法的一個實例 ? label (bytes) – 要設置的應用標簽（沒了解），默認None即可. 類PSS：需要2個參數(shù) 參數(shù)： ? mgf – 掩碼生成函數(shù)對象. 只支持 MGF1. ? salt_length (int) – 鹽的長度。建議將其設置為PSS.DIGEST_LENGTH或PSS.MAX_LENGTH.
示例
結(jié)合上述的內(nèi)容，rsa主要內(nèi)容可以分為以下四部分
- 生成密鑰對->對應私鑰類->私鑰類中有對應獲取公鑰類的方法
- 公鑰和私鑰對應的方法：常見的就是加密，解密，簽名，驗簽
- 公鑰和私鑰的序列化
- 公鑰和私鑰組成部分的獲取，或根據(jù)對應的值生成對應的公鑰類私鑰類
其他：serialization目錄用于序列化私鑰和公鑰的內(nèi)容，將公鑰和私鑰保存或加載，這里不做具體介紹，只給出示例，有需要可以去了解serialization下的內(nèi)容
- 密鑰生成，加密，解密，簽名，驗簽，查看密鑰對信息，序列化
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding
from cryptography.hazmat.primitives import serialization
import binascii
# 以下示例均來自官方文檔的的內(nèi)容，加以整合
# 生成密鑰對，generate_private_key返回的是RSAPrivateKey類
private_key = rsa.generate_private_key(public_exponent=65537, key_size=2048)
# 獲取對應的公鑰類RSAPublicKey
public_key = private_key.public_key()
# 使用私鑰完成一些操作，解密，簽名
# 使用公鑰完成一些操作，加密，驗簽
# 簽名，填充方式可以改為pkcs1v15，padding.PKCS1v15，返回簽名結(jié)果
sign_message = b"A message I want to sign"
signature = private_key.sign(
sign_message,
padding.PSS(
mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH),
hashes.SHA256())
print("signature :",binascii.b2a_hex(signature))
# 驗證簽名：有公鑰、消息、簽名值和所使用的簽名算法，這個是沒有返回值,驗簽失敗會引發(fā)異常：InvalidSignature
try:
public_key.verify(
signature,
sign_message,
padding.PSS(
mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH),
hashes.SHA256())
print("verify：True")
except Exception:
print("verify：False")
# 加密操作
encrypted_message = b"encrypted data"
ciphertext = public_key.encrypt(
encrypted_message,
padding.OAEP(
mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
algorithm=hashes.SHA256(),
label=None))
print("encrypted_message:",encrypted_message)
print("ciphertext:",binascii.b2a_hex(ciphertext))
# 解密操作
plaintext = private_key.decrypt(
ciphertext,
padding.OAEP(
mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
algorithm=hashes.SHA256(),
label=None))
print("plaintext:",plaintext)
print("\n\nRSAPrivateNumbers和RSAPublicNumbers：")
print("\n--RSAPrivateNumbers")
private_numbers = private_key.private_numbers()
print("private_key_p:",private_numbers.p)
print("private_key_q:",private_numbers.q)
print("private_key_d:",private_numbers.d)
print("\n--RSAPublicNumbers")
public_numbers = public_key.public_numbers()
print("public_numbers_e:",public_numbers.e)
print("public_numbers_n:",public_numbers.n)
print("\n\n序列化：")
print("private_key(加密):")
pem1 = private_key.private_bytes(
encoding=serialization.Encoding.PEM,
format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,
encryption_algorithm=serialization.BestAvailableEncryption(b'mypassword'))
# 將mypassword改為具體的密碼
print(pem1.splitlines())
print("\nprivate_key(不加密):")
pem2 = private_key.private_bytes(
encoding=serialization.Encoding.PEM,
format=serialization.PrivateFormat.TraditionalOpenSSL,
encryption_algorithm=serialization.NoEncryption())
print(pem2.splitlines())
print("\npublic_key:")
pem3 = public_key.public_bytes(
encoding=serialization.Encoding.PEM,
format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo)
print(pem3.splitlines())
'''
serialization:涉及的功能還有l(wèi)oad公鑰和私鑰，可加載pem，der等格式的數(shù)據(jù)，以及證書相關的數(shù)據(jù)，有需要可以去了解
'''
結(jié)果：
message: b'41206d65737361676520492077616e7420746f207369676e' verify：True encrypted_message: b'encrypted data' ciphertext: b'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' plaintext: b'encrypted data' RSAPrivateNumbers和RSAPublicNumbers： --RSAPrivateNumbers private_key_p: 147707585390291063655757186262664106581403583389769944190047479079802050557725461099143359285822400756601173686331008082783603762936206021035899801451983264373148026750004290322897832812789405156566036002605846423080016655535724545169357406940078465489591648499524311055428140666709043701951435405479083981507 private_key_q: 129818834990747146076466076783245566173460449186750491874222727814890697974924830062686005653997995728519629633284989915391162771546276906687785728345643383550878857450814037005853925931576826949107171864400879318575256878287526216494946410211681273209849751153418151910847326891086641035970617228184947974907 private_key_d: 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