网络安全&密码学—python中的各种加密算法

一、简介

数据加密是一种保护数据安全的技术，通过将数据（明文）转换为不易被未经授权的人理解的形式（密文），以防止数据泄露、篡改或滥用。加密后的数据（密文）可以通过解密过程恢复成原始数据（明文）。数据加密的核心是密码学，它是研究密码系统或通信安全的一门学科，包括密码编码学和密码分析学。

二、常见的加密方式

• 定义：加密和解密使用同一个密钥。
• 特点：加密和解密速度快，适合加密大量数据。但密钥需要安全地传输和存储，否则容易被窃取，破坏数据的保密性。
• 常见算法：DES（尽管已被认为不够安全）、3DES、AES（目前使用最广泛的对称加密算法之一，具有高安全性和加密效率）。

• 定义：加密和解密使用一对密钥，分别为公钥和私钥。公钥可以公开，私钥必须保密。
• 特点：公钥可以公开，私钥只有持有者知道，即使公钥被泄露，数据也不会失去保密性。但加密和解密速度较慢，适合加密少量数据和数字签名等场景。
• 常见算法：RSA（目前应用最广泛的非对称加密算法，安全性高，但速度较慢）、ECC（椭圆曲线加密算法，密钥长度较短，安全性高，加密解密速度快，适用于移动设备等资源有限的场景）、DSA（基于离散对数问题，适用于数字签名等场景）。

• 定义：通过散列算法将明文生成散列值，散列值是长度固定的数据，与明文长度无关，且无法从散列值还原出原文。
• 特点：常用于数字签名、消息认证、密码存储等场景，不需要密钥。
• 常见算法：MD5（尽管已被破解，不再安全）、SHA-1（比MD5更安全，但速度较慢）、SHA-2（包括SHA-224、SHA-256等多个变种，安全性更高）、HMAC（带密钥的散列消息认证码，结合了散列算法和密钥的优势）。

三、python中的应用

通过采用合适的加密技术和加强密钥管理，可以有效地保护数据的机密性、完整性和可用性，防止数据泄露、非法访问和篡改等安全事件的发生。本文主要介绍python中的常见加密算法的实现，以及某云的案例进行分析。

encode()：将字符串str转为二进制数据，即进行编码。

str_="xiaoyu安全"
byte=str_.encode('utf-8')
print('原字符：',str_)
print('字符转换成二进制：',byte)

原字符： xiaoyu安全
字符转换成二进制 b'xiaoyuxe5xaex89xe5x85xa8'

str_="xiaoyu安全"
byte=str_.encode('utf-8')
print('原字符：',str_)
print('字符转换成二进制：',byte)
print('二进制转化为原字符：',byte.decode('utf-8'))

原字符： xiaoyu安全
字符转换成二进制： b'xiaoyuxe5xaex89xe5x85xa8'
二进制转化为原字符： xiaoyu安全

Base64编码是密码学的基础，它使用64个字符来表示任意二进制数据。

编码过程如下：首先将所有字符转换为ASCII码，然后将这些ASCII码转换为8位二进制数。接着，将每3个二进制数归为一组（不足3个的在后面补0），形成24位，再拆分成4组，每组6位。之后，在每组的6位二进制数前补两个0，凑成8位。最后，将这些补0后的二进制数转换为十进制数，并从Base64编码表中获取对应的Base64编码。整个过程确保所有数据都能被编码，并且编码后的文本只使用65个字符（A~Z, a~z, 0~9, +, /, =）表示。

python中的base64模块的使用

import base64

str_="xiaoyu安全"

# 加密实现
def enbase64(str_):
    return base64.b64encode(str_.encode('utf-8')).decode("utf-8")

# 解密实现
def debase64(str_):
    # 注意：这里不需要再次将str_转换为utf-8，因为它已经是一个utf-8编码的字符串了
    # 我们只需要将base64编码的部分解码回原始的bytes，然后再解码为utf-8字符串
    return base64.b64decode(str_).decode('utf-8')

if __name__ == '__main__':
    str_='xiaoyu安全'
    en=enbase64(str_)
    print('base64加密后的结果：',en)
    print('base64解密后：',debase64(en))

base64加密后的结果： eGlhb3l15a6J5YWo
base64解密后： xiaoyu安全

MD5加密，即信息-摘要算法5（message-digest algorithm 5），能够将字符串、文件或压缩包等转换为固定长度为128bit的串。其主要用途包括：

1. 加密注册用户的密码，保障用户信息安全；
2. 网站用户上传图片或文件后，利用MD5值的唯一性作为文件名，便于管理和检索；
3. 在key-value数据库中，使用MD5值作为key，提高数据存取效率；
4. 比较两个文件是否相同，如下载资源时，网站提供的MD5值可用于检测文件完整性，确保文件未被篡改。

MD5模块在python3中被移除，在python3中使用hashlib模块进行md5加密操作。

import hashlib

def md5(str_):
    str_=str_.encode('utf-8')# 将字符串进行字符编码
    result = hashlib.md5(str_)# 将进行字符编码的str_再进行md5加密
    # result.hexdigest()默认返回小写的加密结果：0d0a96fa021ccd3fac05df1a584e3185
    # result.hexdigest().upper()：返回大写的加密结果：0d0a96fa021ccd3fac05df1a584e3185
    return result.hexdigest().upper()

if __name__ == '__main__':
    str_ = 'hellow_world'
    print(md5(str_)) # 0d0a96fa021ccd3fac05df1a584e3185

使用flask和md5实现登录接口

1、mysql

-- 创建表
create table t_user(id int auto_increment primary key,username varchar(50),password varchar(200));

-- 尝试添加数据，测试
insert into t_user values(default,'admin','123kkkk')

2、python后端代码

from flask import Flask
import hashlib
import pymysql
flask_app = Flask(__name__)

def cur_sql(sql,username,password):
    # 创建连接
    conn = pymysql.connect(database='demo', user='root', passwd='123456', port=3306, host='localhost')
    # 获取游标，执行sql语句
    cur = conn.cursor()
    # 将sql语句预编译，防止sql注入
    cur.execute(sql, (username, password))
    data=cur.fetchall()
    # 关闭连接，释放内存
    cur.close()
    conn.close()
    return data

@flask_app.route('/add/<username>/<password>/')
def user_add(username,password):
    try:
        # 将密码使用md5进行加密
        password=hashlib.md5(password.encode()).hexdigest()
        # 要执行的sql语句
        sql='insert into t_user values (default,%s,%s)'
        if not cur_sql(sql, username, password):
            return '用户添加失败'
        return '用户添加成功'
    except pymysql.MySQLError as e:
        return f'用户添加失败：{str(e)}'

@flask_app.route('/login/<username>/<password>/')
def user_login(username,password):
    try:
        password=hashlib.md5(password.encode()).hexdigest()
        sql='select * from  t_user where username=%s and password=%s' # 添加数据
        print(cur_sql(sql, username, password))
        if not cur_sql(sql, username, password):
            return '登录失败'
        return '登录成功'
    except pymysql.MySQLError as e:
        return f'登录失败：{str(e)}'

使用命令：flask --app main run 运行后端服务

测试结果如下：

添加一个admin用户，密码为admin123

使用错误密码123456登录

使用正确密码

尝试sql注入，注入失败

这种单向加密只保证了数据库不显示明文，保证数据库数据的安全（md5不可逆），但是还是能够使用社工和密码字典进行密码爆破，建议使用的密码10位数字以上

SHA1，全称Secure Hash Algorithm（安全哈希算法），相较于MD5，其加密后的数据长度更长。对于长度小于2^64的任意输入，SHA1都能产生一个长度为160bit的散列值，这比MD5多出了32位。因此，SHA1在安全性上相较于MD5有所提升，但其运算速度则相对较慢。

from flask import Flask
import hashlib
import pymysql
flask_app = Flask(__name__)

@flask_app.route('/add/<username>/<password>/')
def user_add(username,password):
    try:
        # 将密码使用sha1进行加密
        password=hashlib.sha1(password.encode()).hexdigest()
        # 要执行的sql语句
        sql='insert into t_user values (default,%s,%s)'
        cur_sql(sql,username,password)
        return '用户添加成功'
    except pymysql.MySQLError as e:
        return f'用户添加失败：{str(e)}'

添加成功的数据库

5、secrets加密

secrets模块是Python 3.6引入的一个新内置模块，它专门用于生成密码强随机数，非常适合管理密码、账户验证信息、安全令牌以及相关的秘密信息。总的来说，secrets模块主要可以实现两大功能：

1. 生成安全的随机数；
2. 生成一个固定长度的随机字符串，这种字符串可以用作令牌或安全URL。

import secrets
import string

# 将所有的英文字母的大小写和数字进行组合
parm = string.ascii_letters + string.digits  # abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789
password = ''.join(secrets.choice(parm) for i in range(10)) # 进行加密
print(password)  # NdgdCDt13O

生成包含安全令牌的URL

import secrets
# 这里拿我自己的博客举例
url='https://xiaoyus.cc/update='+secrets.token_urlsafe()
print(url)# https://xiaoyus.cc/update=1Peuz6HGhkhKSSQnmQtndCJ9GcEsRGFyyG-DFJdvazs

这里就做个公益宣传吧，帮帮这些孩子们

DES（Data Encryption Standard，数据加密标准）属于对称加密。对称加密，顾名思义，是指加密和解密的运算都是使用同样的密钥。DES算法是一种使用密钥加密的块算法，它将明文分成固定长度的块（通常为64位），并使用一个密钥（通常为56位有效密钥长度，因为最高位用作奇偶校验）对这些块进行加密。

安装：pip install pyDes
导入：from pyDes import des, CBC, PAD_PKCS5

from pyDes import des,CBC,PAD_PKCS5
import binascii # binascii 库在 Python 中主要用于二进制和 ASCII 码之间的转换。

key='xiaoyu13'# key必须为8个字节

def des_encrypt(s):
    '''
    将数据进行简单加密
    :param s:原始字符串
    :return: 加密后的字符串，16进制
    '''
    secret_key=key # 密码
    iv=secret_key # 偏移量
    # secret_key：加密密匙，CBC：加密模式，iv：偏移量，padmode：填充
    des_obj=des(secret_key,CBC,iv,pad=None,padmode=PAD_PKCS5)
    # 返回为字节
    secret_bytes=des_obj.encrypt(s,padmode=PAD_PKCS5)# b"x14xe1xa2'x83x1exf3!x8dx9aksxa5Mxe3x81"
    return binascii.b2a_hex(secret_bytes)

def des_decrypt(s):
    """
    DES 解密
    :param s: 加密后的字符串，16进制
    :return:  解密后的字符串
    """
    secret_key = key
    iv = secret_key
    des_obj = des(secret_key, CBC, iv, pad=None, padmode=PAD_PKCS5)
    result=des_obj.decrypt(binascii.a2b_hex(s),padmode=PAD_PKCS5)
    return result

if __name__ == '__main__':
    print('加密后的结果：',des_encrypt('XIAOYU'))# 加密后的结果： b'ab498fe821d50739'
    print('解密后的结果：',des_decrypt(des_encrypt('XIAOYU'))) # 解密后的结果： b'XIAOYU'

Tips：这个错误表示密匙key的字符长度必须为8个字节

7、AES

AES加密，全称为高级加密标准（Advanced Encryption Standard），是一种广泛使用的对称加密算法。

AES算法由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年发布，作为DES（数据加密标准）算法的替代方案。AES算法以其高强度、高速度和易于实现等优点，迅速成为对称密钥加密中最流行的算法之一。它被广泛用于保护各种敏感数据，如金融交易、在线通信、数据库加密等场景。

1. 对称加密：AES是一种对称加密算法，意味着加密和解密过程使用相同的密钥。这种特性使得AES加密速度相对较快，尤其适用于大量数据的加密。
2. 密钥长度：AES支持三种长度的密钥：128位、192位和256位。密钥长度越长，加密强度越高，但加密和解密过程也会相应变慢。
3. 分组加密：AES采用分组加密的方式，每个明文块被独立加密成密文块。AES的标准分组长度为128位（即16字节）。
4. 复杂操作：AES加密算法涉及四种基本操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。这些操作共同构成了AES加密的高强度特性。

案例

from Cryptodome.Cipher import AES
from Cryptodome import Random


data = 'XiaoYu安全'
#密钥必须为16（AES-128),24,32
key = b'this is a 16 key'

#生成长度等于AES块大小的不可重复的密钥向量
iv =Random.new().read(AES.block_size)
print(iv)

#使用key和Iv初始化AES对象
mycipher = AES.new(key,AES.MODE_CFB,iv)
print(mycipher)
cip = mycipher.encrypt(data.encode())

#将iv加到加密的密钥开头
ciptext =iv + cip
print(ciptext)

#解密需要 key和iv 生成AES对象,取前16位是iv
mydecrypt = AES.new(key,AES.MODE_CFB,ciptext[:16])

#取后16位是密钥
decrytext = mydecrypt.decrypt(ciptext[16:])
print(decrytext.decode())

b'x87x10xe2wxb3oDxd9xbexe5x02xd4xdcjkxe7'
<Cryptodome.Cipher._mode_cfb.CfbMode object at 0x0000000000FF7A90>
b'x87x10xe2wxb3oDxd9xbexe5x02xd4xdcjkxe7xddxf4xe8xbaxa0xa3xe4nx0exb5Zx90'
XiaoYu安全

8、RSA加密

RSA是一种公钥密码算法，全称为RSA加密算法，它属于非对称加密算法的一种。

• 定义：RSA加密算法是由罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）在1977年共同提出的。该算法的名称来源于这三位发明者姓氏的首字母组合。
• 特点：RSA算法使用一对密钥进行加密和解密操作，其中一个密钥是公钥（public key），用于加密数据；另一个是私钥（private key），用于解密数据。公钥可以公开，而私钥必须保密。

from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Cipher import PKCS1_OAEP
import binascii

# 生成密钥对
key = RSA.generate(2048)
private_key = key.export_key()
public_key = key.publickey().export_key()

# 要加密的消息
message = '你好, RSA!'
message = message.encode()

# 创建加密器并使用公钥加密
encryptor = PKCS1_OAEP.new(RSA.import_key(public_key))
encrypted = encryptor.encrypt(message)
print("加密后:", binascii.hexlify(encrypted))

# 创建解密器并使用私钥解密
decryptor = PKCS1_OAEP.new(RSA.import_key(private_key))
decrypted = decryptor.decrypt(encrypted)
print("解密后:", decrypted.decode())

加密后: b'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'
解密后: 你好, RSA!

总结

在网络安全和密码学领域，数据加密是保护数据机密性、完整性和可用性的关键技术。Python作为一种功能强大的编程语言，提供了多种实现数据加密和解密的方法。本文介绍了常见的加密方式，包括对称加密、非对称加密和单向加密，并详细展示了在Python中如何使用这些加密技术。

1. 对称加密
• 使用同一个密钥进行加密和解密，速度快，适合加密大量数据。
• 常见算法包括DES（已认为不安全）、3DES、AES（广泛使用的对称加密算法）。
2. 非对称加密
• 使用一对密钥（公钥和私钥）进行加密和解密，公钥可公开，私钥保密。
• 常见算法包括RSA（应用广泛）、ECC（适用于资源有限的场景）、DSA（适用于数字签名）。
3. 单向加密（不可逆加密）
• 通过散列算法将明文生成固定长度的散列值，无法从散列值还原原文。
• 常见算法包括MD5（已不安全）、SHA-1（较安全但速度较慢）、SHA-2（安全性更高）、HMAC（带密钥的散列消息认证码）。

1. Base64编码
• 将二进制数据转换为ASCII字符串，常用于文本数据的编码和解码。
2. MD5和SHA-1加密
• 用于生成数据的散列值，常用于密码存储、文件完整性验证等场景。
• 在Python中，通过hashlib模块实现。
3. Secrets模块
• 用于生成安全的随机数和随机字符串，适合生成密码、令牌等敏感信息。
4. DES加密
• 对称加密算法，使用固定长度的密钥加密数据块。
• 在Python中，可通过第三方库pyDes实现。
5. AES加密
• 对称加密算法，支持多种密钥长度（128位、192位、256位），广泛应用于敏感数据的加密。
• 在Python中，通过Cryptodome库实现。
6. RSA加密
• 非对称加密算法，使用公钥加密数据，私钥解密数据。
• 在Python中，通过pycryptodome库中的Crypto.PublicKey.RSA和Crypto.Cipher.PKCS1_OAEP模块实现。

• 用户注册和登录系统
• 使用MD5或SHA-1对用户密码进行单向加密存储，防止数据库泄露导致明文密码泄露。
• 通过Flask框架实现用户注册和登录接口，验证用户名和密码。
• 文件完整性验证
• 使用MD5或SHA-2生成文件的散列值，与网站提供的散列值进行比较，确保文件未被篡改。
• 安全令牌生成
• 使用secrets模块生成随机字符串，作为令牌或安全URL的一部分，提高系统的安全性。

通过本文的介绍，我们了解了不同加密方式的特点及其在Python中的实现方法。在实际应用中，应根据具体需求选择合适的加密方式，并加强密钥管理，以确保数据的安全性。