Python 的密码学操作可以通过 cryptography 模块来实现，这个模块是一个功能强大的库，它提供了现代密码学的基本工具，包括加密、解密、密钥生成、签名等操作。cryptography 模块易于使用，并且安全性高，适合在各种场景下使用。
一、安装 cryptography 模块
在开始之前，你需要确保已经安装了 cryptography 模块。如果没有安装，可以通过以下命令来安装：
pip install cryptography
安装完成后，可以通过 import cryptography 来导入库，并使用其功能。
二、密码学基础知识
在讨论 cryptography 模块之前，了解一些密码学的基础知识是非常有必要的。
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对称加密：对称加密使用相同的密钥进行加密和解密操作。常见的对称加密算法包括 AES（高级加密标准）、DES（数据加密标准）等。
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非对称加密：非对称加密使用一对公钥和私钥。公钥用于加密，私钥用于解密。常见的非对称加密算法包括 RSA、DSA 等。
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哈希函数：哈希函数将任意长度的数据转换为固定长度的哈希值，常见的哈希算法包括 SHA-256、MD5 等。
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消息认证码（MAC）：消息认证码用于验证数据的完整性和真实性。HMAC 是一种常见的消息认证码，它基于哈希函数和一个密钥生成认证码。
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数字签名：数字签名用于验证数据的来源和完整性。签名过程使用私钥对数据进行签名，验证过程使用对应的公钥。
三、cryptography 模块的结构
cryptography 模块分为两个主要部分：
- 高级加密API（Fernet）：提供了易于使用的对称加密工具。
- 低级加密API：提供了更复杂的加密工具，如对称加密算法、非对称加密算法、哈希函数等。
接下来，我们将详细介绍这些部分的用法。
四、高级加密 API
cryptography 模块的高级加密 API 主要通过 Fernet 类来实现。Fernet 是对称加密的一种实现，使用 AES 算法，并包含生成密钥、加密和解密的功能。
1. 密钥生成
使用 Fernet 进行加密时，首先需要生成一个密钥：
from cryptography.fernet import Fernet
# 生成密钥
key = Fernet.generate_key()
print(f"Generated key: {key.decode()}")
# 保存密钥到文件
with open("secret.key", "wb") as key_file:
key_file.write(key)
这段代码生成了一个密钥，并将其保存到文件中。
2. 加密操作
有了密钥后，可以使用 Fernet 对数据进行加密：
# 加载密钥
key = None
with open("secret.key", "rb") as key_file:
key = key_file.read()
# 创建 Fernet 对象
cipher_suite = Fernet(key)
# 要加密的数据
message = b"Hello, this is a secret message!"
# 加密数据
cipher_text = cipher_suite.encrypt(message)
print(f"Encrypted message: {cipher_text}")
3. 解密操作
解密操作与加密操作类似，只需调用 decrypt 方法：
# 解密数据
decrypted_message = cipher_suite.decrypt(cipher_text)
print(f"Decrypted message: {decrypted_message.decode()}")
通过以上代码，已经完成了基本的加密和解密操作。
五、低级加密 API
低级加密 API 提供了更多的加密算法和操作，适合高级用户自定义加密方案。我们将重点介绍对称加密、非对称加密、哈希函数和数字签名。
1. 对称加密
对于对称加密，cryptography 提供了如 AES、DES 等算法。我们以 AES 为例，介绍如何使用。
1.1 加密和解密
使用 AES 进行加密时，通常需要选择一个模式（如 CBC、CFB 等），并提供一个初始化向量（IV）。以下是使用 AES-CBC 模式的示例：
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
import os
# 生成密钥和初始化向量
key = os.urandom(32) # 256-bit key for AES-256
iv = os.urandom(16) # 128-bit IV for CBC mode
# 要加密的数据
message = b"Secret message for AES encryption"
# 创建 AES-CBC 对象
cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=default_backend())
encryptor = cipher.encryptor()
# 对数据进行加密
cipher_text = encryptor.update(message) + encryptor.finalize()
print(f"Encrypted message: {cipher_text}")
# 解密
decryptor = cipher.decryptor()
decrypted_message = decryptor.update(cipher_text) + decryptor.finalize()
print(f"Decrypted message: {decrypted_message.decode()}")
2. 非对称加密
非对称加密通常用于加密密钥、数字签名等场景。我们以 RSA 为例，演示如何生成密钥对、加密、解密以及数字签名。
2.1 生成密钥对
首先，生成一个 RSA 密钥对：
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa
from cryptography.hazmat.primitives import serialization
# 生成 RSA 密钥对
private_key = rsa.generate_private_key(
public_exponent=65537,
key_size=2048,
backend=default_backend()
)
# 导出私钥并保存
pem = private_key.private_bytes(
encoding=serialization.Encoding.PEM,
format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,
encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()
)
with open("private_key.pem", "wb") as key_file:
key_file.write(pem)
# 导出公钥并保存
public_key = private_key.public_key()
pem = public_key.public_bytes(
encoding=serialization.Encoding.PEM,
format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
)
with open("public_key.pem", "wb") as key_file:
key_file.write(pem)
2.2 加密和解密
使用公钥加密数据，使用私钥解密数据：
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
# 加载公钥
with open("public_key.pem", "rb") as key_file:
public_key = serialization.load_pem_public_key(key_file.read(), backend=default_backend())
# 加密数据
message = b"Encrypted message using RSA"
cipher_text = public_key.encrypt(
message,
padding.OAEP(
mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
algorithm=hashes.SHA256(),
label=None
)
)
print(f"Encrypted message: {cipher_text}")
# 加载私钥
with open("private_key.pem", "rb") as key_file:
private_key = serialization.load_pem_private_key(key_file.read(), password=None, backend=default_backend())
# 解密数据
decrypted_message = private_key.decrypt(
cipher_text,
padding.OAEP(
mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
algorithm=hashes.SHA256(),
label=None
)
)
print(f"Decrypted message: {decrypted_message.decode()}")
2.3 数字签名
数字签名用于验证数据的完整性和来源。使用私钥对数据进行签名，使用公钥验证签名。
# 签名
signature = private_key.sign(
message,
padding.PSS(
mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
),
hashes.SHA256()
)
print(f"Signature: {signature}")
# 验证签名
try:
public_key.verify(
signature,
message,
padding.PSS(
mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
),
hashes.SHA256()
)
print("Signature is valid.")
except Exception as e:
print("Signature is invalid.")
3. 哈希函数
哈希函数生成数据的唯一摘要，用于数据完整性验证。以下是使用 SHA-256 算法生成哈希值的示例：
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
# 创建哈希对象
digest = hashes.Hash(hashes.SHA256(), backend=default_backend())
# 更新数据
digest.update(b"Data to hash")
digest.update(b"More data to hash")
# 完成哈希计算
hash_value = digest.finalize()
print(f"Hash value: {hash_value.hex()}")
4. 消息认证码（MAC）
HMAC 是一种常见的消息认证码，结合了哈希函数和密钥，用于验证消息的完整性和真实性。
from cryptography.hazmat.primitives import hmac
# 生成 HMAC
h = hmac.HMAC(key, hashes.SHA256(), backend=default_backend())
h.update(b"Message to authenticate")
mac_value = h.finalize()
print(f"MAC value: {mac_value.hex()}")
# 验证 HMAC
h.verify(mac_value)
print("MAC is valid.")
通过 cryptography 模块，可以实现对称加密、非对称加密、哈希函数、消息认证码和数字签名等密码学功能。对于不同的应用场景，可以选择合适的算法和模式，以确保数据的机密性、完整性和真实性。
cryptography 模块不仅功能强大，还具有良好的文档支持，使得开发者可以轻松地在 Python 中实现各种密码学操作。
