常見加密方式和Python實現(xiàn)

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1. 前言

我們所說的加密方式狠毯，都是對二進制編碼的格式進行加密的，對應(yīng)到Python中，則是我們的Bytes。

所以當我們在Python中進行加密操作的時候，要確保我們操作的是Bytes踏烙，否則就會報錯。

將字符串和Bytes互相轉(zhuǎn)換可以使用encode()和decode()方法历等。如下所示：

# 方法中不傳參數(shù)則是以默認的utf-8編碼進行轉(zhuǎn)換
In [1]: '南北'.encode()
Out[1]: b'\xe5\x8d\x97\xe5\x8c\x97'

In [2]: b'\xe5\x8d\x97\xe5\x8c\x97'.decode()
Out[2]: '南北'

注：兩位十六進制常常用來顯示一個二進制字節(jié)讨惩。

利用binascii模塊可以將十六進制顯示的字節(jié)轉(zhuǎn)換成我們在加解密中更常用的顯示方式：

In [1]: import binascii

In [2]: '南北'.encode()
Out[2]: b'\xe5\x8d\x97\xe5\x8c\x97'

In [3]: binascii.b2a_hex('南北'.encode())
Out[3]: b'e58d97e58c97'

In [4]: binascii.a2b_hex(b'e58d97e58c97')
Out[4]: b'\xe5\x8d\x97\xe5\x8c\x97'

In [5]: binascii.a2b_hex(b'e58d97e58c97').decode()
Out[5]: '南北'

2. URL編碼

正常的URL中是只能包含ASCII字符的，也就是字符寒屯、數(shù)字和一些符號荐捻。而URL編碼就是一種瀏覽器用來避免url中出現(xiàn)特殊字符（如漢字）的編碼方式。

其實就是將超出ASCII范圍的字符轉(zhuǎn)換成帶%的十六進制格式寡夹。

例子：

In [1]: from urllib import parse

# quote()方法會自動將str轉(zhuǎn)換成bytes处面，所以這里傳入str和bytes都可以
In [2]: parse.quote('南北')
Out[2]: '%E5%8D%97%E5%8C%97'

In [3]: parse.unquote('%E5%8D%97%E5%8C%97')
Out[3]: '南北'

3. Base64編碼

Base64是一種用64個字符來表示任意二進制數(shù)據(jù)的方法。

Base64編碼可以稱為密碼學的基石菩掏』杲牵可以將任意的二進制數(shù)據(jù)進行Base64編碼。所有的數(shù)據(jù)都能被編碼為并只用65個字符就能表示的文本文件智绸。（ 65字符：A~Z a~z 0~9 + / = ）編碼后的數(shù)據(jù)~=編碼前數(shù)據(jù)的4/3野揪，會大1/3左右访忿。

3.1. 原理

image.png

將所有字符轉(zhuǎn)化為ASCII碼。
將ASCII碼轉(zhuǎn)化為8位二進制斯稳。
將二進制3個歸成一組(不足3個在后邊補0)共24位海铆，再拆分成4組，每組6位挣惰。
統(tǒng)一在6位二進制前補兩個0湊足8位游添。
將補0后的二進制轉(zhuǎn)為十進制。
從Base64編碼表獲取十進制對應(yīng)的Base64編碼通熄。

3.2. 說明

轉(zhuǎn)換的時候，將三個byte的數(shù)據(jù)找都，先后放入一個24bit的緩沖區(qū)中唇辨，先來的byte占高位。
數(shù)據(jù)不足3byte的話能耻，于緩沖區(qū)中剩下的bit用0補足赏枚。然后，每次取出6個bit晓猛，按照其值選擇查表選擇對應(yīng)的字符作為編碼后的輸出饿幅。
不斷進行，直到全部輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成戒职。
如果最后剩下兩個輸入數(shù)據(jù)栗恩，在編碼結(jié)果后加1個“=”。
如果最后剩下一個輸入數(shù)據(jù)洪燥，編碼結(jié)果后加2個“=”磕秤。
如果沒有剩下任何數(shù)據(jù)，就什么都不要加捧韵，這樣才可以保證資料還原的正確性市咆。

3.3. python使用

Python內(nèi)置的base64模塊可以直接進行base64的編解碼

注意：用于base64編碼的，要么是ASCII包含的字符再来，要么是二進制數(shù)據(jù)

In [1]: import base64

In [2]: base64.b64encode(b'hello world')
Out[2]: b'aGVsbG8gd29ybGQ='

In [3]: base64.b64decode(b'aGVsbG8gd29ybGQ=')
Out[3]: b'hello world'

4. MD5（信息-摘要算法）

message-digest algorithm 5（信息-摘要算法）蒙兰。經(jīng)常說的“MD5加密”，就是信息摘要算法芒篷。

md5搜变，其實就是一種算法∷蠓ィ可以將一個字符串痹雅，或文件，或壓縮包糊识，執(zhí)行md5后绩社，就可以生成一個固定長度為128bit的串摔蓝。這個串，基本上是唯一的愉耙。

4.1. 特點

壓縮性：任意長度的數(shù)據(jù)贮尉，算出的MD5值長度都是固定的。
容易計算：從原數(shù)據(jù)計算出MD5值很容易朴沿。
抗修改性：對原數(shù)據(jù)進行任何改動猜谚，哪怕只修改1個字節(jié)，所得到的MD5值都有很大區(qū)別赌渣。
強抗碰撞：已知原數(shù)據(jù)和其MD5值魏铅，想找到一個具有相同MD5值的數(shù)據(jù)（即偽造數(shù)據(jù)）是非常困難的。
不可逆性：每個人都有不同的指紋坚芜，看到這個人览芳，可以得出他的指紋等信息，并且唯一對應(yīng)鸿竖，但你只看一個指紋沧竟，是不可能看到或讀到這個人的長相或身份等信息。

舉個栗子：世界上只有一個我缚忧，但是但是妞卻是非常非常多的悟泵，以一個有限的我對幾乎是無限的妞，所以可能能搞定非常多（100+）的妞闪水，這個理論上的確是通的糕非，可是實際情況下....

4.2. python使用

由于MD5模塊在python3中被移除，在python3中使用hashlib模塊進行md5操作

import hashlib

# 待加密信息
str = '這是一個測試'

# 創(chuàng)建md5對象
hl = hashlib.md5()

# 此處必須聲明encode
# 若寫法為hl.update(str)  報錯為： Unicode-objects must be encoded before hashing
hl.update(str.encode(encoding='utf-8'))

print('MD5加密前為 ：' + str)
print('MD5加密后為 ：' + hl.hexdigest())

運行結(jié)果

MD5加密前為 ：這是一個測試
MD5加密后為 ：cfca700b9e09cf664f3ae80733274d9f

md5的長度敦第，默認為128bit峰弹，也就是128個0和1的二進制串。這樣表達是很不友好的芜果。所以將二進制轉(zhuǎn)成了16進制鞠呈，每4個bit表示一個16進制，所以128/4 = 32 換成16進制表示后右钾，為32位了蚁吝。

為什么網(wǎng)上還有md5是16位的呢？

其實16位的長度舀射，是從32位md5值來的窘茁。是將32位md5去掉前八位，去掉后八位得到的山林。

5. Python加密庫PyCryptodome

PyCrypto是 Python 中密碼學方面最有名的第三方軟件包桑孩，提供了許多加密算法的使用⌒海可惜的是温数，它的開發(fā)工作于2012年就已停止。

幸運的是域那，有一個該項目的分支PyCrytodome 取代了 PyCrypto 败许。

5.1. 安裝與導(dǎo)入

安裝之前需要先安裝Microsoft Visual c++ 2015市殷。

在Linux上安裝，可以使用以下 pip 命令：

pip install pycryptodome

導(dǎo)入：

import Crypto

在Windows 系統(tǒng)上安裝則稍有不同：

pip install pycryptodomex

導(dǎo)入：

import Cryptodome

6. DES

DES算法為密碼體制中的對稱密碼體制音羞，又被稱為美國數(shù)據(jù)加密標準。

DES是一個分組加密算法，典型的DES以64位為分組對數(shù)據(jù)加密财边，加密和解密用的是同一個算法黑滴。

DES算法的入口參數(shù)有三個：Key跷跪、Data橡羞、Mode卿泽。其中Key為7個字節(jié)共56位椎侠，是DES算法的工作密鑰趟据；Data為8個字節(jié)64位，是要被加密或被解密的數(shù)據(jù)荞估；Mode為DES的工作方式,有兩種:加密或解密比被。

密鑰長64位，密鑰事實上是56位參與DES運算（第8泼舱、16等缀、24、32娇昙、40尺迂、48、56、64位是校驗位噪裕，使得每個密鑰都有奇數(shù)個1）蹲盘，分組后的明文組和56位的密鑰按位替代或交換的方法形成密文組。

6.1. python使用

# 導(dǎo)入DES模塊
from Cryptodome.Cipher import DES
import binascii

# 這是密鑰
key = b'abcdefgh'
# 需要去生成一個DES對象
des = DES.new(key, DES.MODE_ECB)
# 需要加密的數(shù)據(jù)
text = 'python spider!'
text = text + (8 - (len(text) % 8)) * '='

# 加密的過程
encrypto_text = des.encrypt(text.encode())
encrypto_text = binascii.b2a_hex(encrypto_text)
print(encrypto_text)

7. 3DES

3DES（或稱為Triple DES）是三重數(shù)據(jù)加密算法（TDEA膳音，Triple Data Encryption Algorithm）塊密碼的通稱召衔。它相當于是對每個數(shù)據(jù)塊應(yīng)用三次DES加密算法。

由于計算機運算能力的增強祭陷，原版DES密碼的密鑰長度變得容易被暴力破解苍凛。3DES即是設(shè)計用來提供一種相對簡單的方法，即通過增加DES的密鑰長度來避免類似的攻擊兵志，而不是設(shè)計一種全新的塊密碼算法醇蝴。

3DES（即Triple DES）是DES向AES過渡的加密算法（1999年，NIST將3-DES指定為過渡的加密標準）想罕，加密算法悠栓，其具體實現(xiàn)如下：設(shè)Ek()和Dk()代表DES算法的加密和解密過程，K代表DES算法使用的密鑰按价，M代表明文惭适，C代表密文，這樣：

3DES加密過程為：C=Ek3(Dk2(Ek1(M)))

3DES解密過程為：M=Dk1(EK2(Dk3(C)))

8. AES

高級加密標準（英語：Advanced Encryption Standard楼镐，縮寫：AES）腥沽，在密碼學中又稱Rijndael加密法，是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標準鸠蚪。這個標準用來替代原先的DES，已經(jīng)被多方分析且廣為全世界所使用师溅。經(jīng)過五年的甄選流程茅信，高級加密標準由美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）于2001年11月26日發(fā)布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成為有效的標準墓臭。2006年蘸鲸，高級加密標準已然成為對稱密鑰加密中最流行的算法之一。

AES在軟件及硬件上都能快速地加解密窿锉，相對來說較易于實作酌摇，且只需要很少的存儲器。作為一個新的加密標準嗡载，目前正被部署應(yīng)用到更廣大的范圍窑多。

8.1. 特點

抵抗所有已知的攻擊。
在多個平臺上速度快洼滚，編碼緊湊埂息。
設(shè)計簡單淫痰。

image.png

AES為分組密碼羔杨，分組密碼也就是把明文分成一組一組的，每組長度相等，每次加密一組數(shù)據(jù)适瓦，直到加密完整個明文。在AES標準規(guī)范中串纺，分組長度只能是128位羡疗，也就是說，每個分組為16個字節(jié)（每個字節(jié)8位）豪椿。密鑰的長度可以使用128位奔坟、192位或256位。密鑰的長度不同砂碉，推薦加密輪數(shù)也不同蛀蜜。

一般常用的是128位

8.2. Python實現(xiàn)

from Cryptodome.Cipher import AES
from Cryptodome import Random
from binascii import b2a_hex  

# 要加密的明文
data = '南來北往'
# 密鑰key 長度必須為16（AES-128）、24（AES-192）增蹭、或32（AES-256）Bytes 長度.
# 目前AES-128足夠用
key = b'this is a 16 key'
# 生成長度等于AES塊大小的不可重復(fù)的密鑰向量
iv = Random.new().read(AES.block_size)

# 使用key和iv初始化AES對象, 使用MODE_CFB模式
mycipher = AES.new(key, AES.MODE_CFB, iv)
# 加密的明文長度必須為16的倍數(shù)滴某，如果長度不為16的倍數(shù)，則需要補足為16的倍數(shù)
# 將iv（密鑰向量）加到加密的密文開頭滋迈，一起傳輸
ciphertext = iv + mycipher.encrypt(data.encode())

# 解密的話要用key和iv生成新的AES對象
mydecrypt = AES.new(key, AES.MODE_CFB, ciphertext[:16])
# 使用新生成的AES對象霎奢，將加密的密文解密
decrypttext = mydecrypt.decrypt(ciphertext[16:])


print('密鑰k為：', key)
print('iv為：', b2a_hex(ciphertext)[:16])
print('加密后數(shù)據(jù)為：', b2a_hex(ciphertext)[16:])
print('解密后數(shù)據(jù)為：', decrypttext.decode())

運行結(jié)果：

密鑰k為： b'this is a 16 key'
iv為： b'a78a177cffd50878'
加密后數(shù)據(jù)為： b'33f61e7678c25d795d565d40f2f68371da051202'
解密后數(shù)據(jù)為： 南來北往

9. RSA

RSA加密算法是一種非對稱加密算法。在公開密鑰加密和電子商業(yè)中RSA被廣泛使用饼灿。

該算法基于一個十分簡單的數(shù)論事實：將兩個大素數(shù)相乘十分容易幕侠，但那時想要對其乘積進行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密密鑰碍彭，即公鑰晤硕，而兩個大素數(shù)組合成私鑰。公鑰是可發(fā)布的供任何人使用庇忌，私鑰則為自己所有舞箍，供解密之用。

9.1. 非對稱加密

典型的如RSA等皆疹，常見方法疏橄，使用openssl ,keytools等工具生成一對公私鑰對，使用被公鑰加密的數(shù)據(jù)可以使用私鑰來解密略就，反之亦然（被私鑰加密的數(shù)據(jù)也可以被公鑰解密) 捎迫。

在實際使用中私鑰一般保存在發(fā)布者手中，是私有的不對外公開的表牢，只將公鑰對外公布窄绒，就能實現(xiàn)只有私鑰的持有者才能將數(shù)據(jù)解密的方法。這種加密方式安全系數(shù)很高崔兴，因為它不用將解密的密鑰進行傳遞颗祝，從而沒有密鑰在傳遞過程中被截獲的風險浊闪，而破解密文幾乎又是不可能的。

但是算法的效率低螺戳，所以常用于很重要數(shù)據(jù)的加密搁宾，常和對稱配合使用，使用非對稱加密的密鑰去加密對稱加密的密鑰倔幼。

9.2. Python實現(xiàn)

首先我們需要安裝一個rsa模塊：

pip install rsa

而且盖腿，因為RSA加密算法的特性，RSA的公鑰私鑰都是10進制的损同，但公鑰的值常常保存為16進制的格式翩腐，所以需要將其用int()方法轉(zhuǎn)換為10進制格式。

import rsa
import binascii

# 使用網(wǎng)頁中獲得的n和e值膏燃，將明文加密
def rsa_encrypt(rsa_n, rsa_e, message):
    # 用n值和e值生成公鑰
    key = rsa.PublicKey(rsa_n, rsa_e)
    # 用公鑰把明文加密
    message = rsa.encrypt(message.encode(), key)
    # 轉(zhuǎn)化成常用的可讀性高的十六進制
    message = binascii.b2a_hex(message)
    # 將加密結(jié)果轉(zhuǎn)化回字符串并返回
    return message.decode()

# RSA的公鑰有兩個值n和e茂卦，我們在網(wǎng)站中獲得的公鑰一般就是這樣的兩個值。
# n常常為長度為256的十六進制字符串
# e常常為十六進制‘10001’
pubkey_n = '8d7e6949d411ce14d7d233d7160f5b2cc753930caba4d5ad24f923a505253b9c39b09a059732250e56c594d735077cfcb0c3508e9f544f101bdf7e97fe1b0d97f273468264b8b24caaa2a90cd9708a417c51cf8ba35444d37c514a0490441a773ccb121034f29748763c6c4f76eb0303559c57071fd89234d140c8bb965f9725'
pubkey_e = '10001'
# 需要將十六進制轉(zhuǎn)換成十進制
rsa_n = int(pubkey_n, 16)
rsa_e = int(pubkey_e, 16)
# 要加密的明文
message = '南北今天很忙'

print("公鑰n值長度：", len(pubkey_n))
print(rsa_encrypt(rsa_n, rsa_e, message))