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[Network] 12. 常見的加密演算法，含 python 實現

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什麼叫數據加密

數據加密是指利用加密演算法和祕鑰將明文轉變爲密文的過程。常見的加密方式有 base64、RSA、MD5、SHA-1、HMAC、DES/AES、ECC


數據加密的方式

  1. 單向加密：

    • 指只能加密數據而不能解密數據，這種加密方式主要是爲了保證數據的完整性

    • 常見的加密演算法有 MD5、sha 系列等（位於 python 內建的 hashlib 模組中）。

  2. 對稱加密：

    • 指數據加密和解密使用相同的祕鑰，這種加密方式主要是爲了保證數據的機密性

    • 常見的加密演算法有 DES、AES（位於 python 第三方庫 pycrytodomex 中）。

  3. 非對稱加密

    • 也叫公鑰加密，指數據加密和解密使用不同的金鑰，這種加密方式基本不可能被破解，主要用於身份驗證等方面

    • 常見的加密演算法有 DSA、RSA（位於 python 第三方模組 rsa 中）。


加密演算法

▍單向加密演算法（MD5、sha系列）不可逆

  • MD5 加密：MD5 訊息摘要演算法（英語：MD5 Message-Digest Algorithm）

    • 一種被廣泛使用的密碼雜湊函數，可以產生出一個 128 位元（16 位元組）的雜湊值（hash value），用於確保資訊傳輸完整一致。

    • md5 加密演算法是不可逆的，所以解密一般都是通過暴力窮舉方法，通過網站的介面實現解密。

        import hashlib
  m = hashlib.md5()
  m.update(str.encode("utf8"))
  print(m.hexdigest())

  • sha 加密：安全雜湊演算法（Secure Hash Algorithm）

    • 主要適用於數位簽名標準（Digital Signature Standard DSS）裏面定義的數位簽名演算法（Digital Signature Algorithm DSA），SHA1 比 MD5 的安全性更強。

    • 對於長度小於 2^ 64 位元的訊息，SHA1 會產生一個 160 位元的訊息摘要。

        import hashlib
  sha1 = hashlib.sha1()
  data = 'helloword'
  sha1.update(data.encode('utf-8'))
  sha1_data = sha1.hexdigest()
  print(sha1_data)


▍對稱加密演算法（AES、DES）

  • DES 加密

    • DES 是一個分組加密演算法，典型的 DES 以 64 位元爲分組對數據加密

    • 加密和解密用的是同一個演算法。

    • 它的金鑰長度是 56 位（因爲每個第 8 位都用作奇偶校驗），金鑰可以是任意的 56 位的數，而且可以任意時候改變。

        from Cryptodome.Cipher import DES

  key = b'88888888'
  data = "Good Good Study! Day Day Up!"
  count = 8 - (len(data) % 8)
  plaintext = data + count * "="

  # 金鑰
  des = DES.new(key, DES.MODE_ECB)

  # 加密
  ciphertext = des.encrypt(plaintext.encode())
  print(ciphertext)
  >>> b'D\xa4Z\x1dt\xba\xf3\xe8\xdbv\x1aP\x81\xe4\xe6Jx?\xfe\xf2\x0b\x82\nG\x08d\xea\xd0\t\x07vs'

  # 解密
  plaintext = des.decrypt(ciphertext)
  plaintext = plaintext[:(len(plaintext)-count)]
  print(plaintext)
  >>>
  b'Good Good Study! Day Day Up!'

  • AES 加密

    • 在密碼學中又稱 Rijndael 加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。這個標準用來替代原先的 DES

    • 目前使用的比較廣泛，一串看不懂的字串如果有 / 我們首先想到的是 aes 加密

    • AES 只是個基本演算法，實現 AES 有幾種模式，主要有 ECB、CBC、CFB 和 OFB 這幾種（其實還有個 CTR）。

    • AES 爲分組密碼，分組密碼也就是把明文分成一組一組的，每組長度相等，每次加密一組數據，直到加密完整個明文。在 AES 標準規範中，分組長度只能是 128 位元，也就是說，每個分組爲 16 個位元組（每個位元組 8 位元）。金鑰的長度可以使用 128 位元、192 位或 256 位。金鑰的長度不同，推薦加密輪數也不同。

    • AES ECB 模式加密方法 Python 實現：
        from Crypto.Cipher import AES
  import base64

  BLOCK_SIZE = 16  # Bytes
  pad = lambda s: s + (BLOCK_SIZE - len(s) % BLOCK_SIZE) * \
                  chr(BLOCK_SIZE - len(s) % BLOCK_SIZE)
  unpad = lambda s: s[:-ord(s[len(s) - 1:])]
                

  # AES的ECB模式加密方法
  def aesEncrypt(key, data):
      '''
      :param key: 金鑰
      :param data:被加密字串（明文）
      :return:密文
      '''
      key = key.encode('utf8')
      # 字串補位
      data = pad(data)
      cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
      # 加密後得到的是bytes型別的數據，使用Base64進行編碼,返回byte字串
      result = cipher.encrypt(data.encode())
      encodestrs = base64.b64encode(result)
      enctext = encodestrs.decode('utf8')
      print(enctext)
      return enctext

  # AES的ECB模式解密方法
  def aesDecrypt(key, data):
      '''
      :param key: 金鑰
      :param data: 加密後的數據（密文）
      :return:明文
      '''
      key = key.encode('utf8')
      data = base64.b64decode(data)
      cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)

      # 去補位
      text_decrypted = unpad(cipher.decrypt(data))
      text_decrypted = text_decrypted.decode('utf8')
      print(text_decrypted)
      return text_decrypted

  if __name__ == '__main__':
      key = '5c44c819appsapi0'
      data = 'herish acorn'
      ecdata = aesEncrypt(key, data)
      aesDecrypt(key, ecdata)

    • AES CBC 模式加密方法 Python 實現

        from Crypto.Cipher  import AES
  import base64

  # 金鑰（key）, 密斯偏移量（iv） CBC模式加密
  BLOCK_SIZE = 16  # Bytes
  pad = lambda s: s + (BLOCK_SIZE - len(s) % BLOCK_SIZE) * \
                  chr(BLOCK_SIZE - len(s) % BLOCK_SIZE)
  unpad = lambda s: s[:-ord(s[len(s) - 1:])]
  vi = '0102030405060708'  # 偏移量


  # 加密
  def AES_Encrypt(key, data):
      data = pad(data)
      # 字串補位
      cipher = AES.new(key.encode('utf8'), AES.MODE_CBC, vi.encode('utf8'))
      encryptedbytes = cipher.encrypt(data.encode('utf8'))
      # 加密後得到的是bytes型別的數據，使用Base64進行編碼,返回byte字串
      encodestrs = base64.b64encode(encryptedbytes)
      # 對byte字串按utf-8進行解碼
      enctext = encodestrs.decode('utf8')
      return enctext


  # 解密
  def AES_Decrypt(key, data):
      data = data.encode('utf8')
      encodebytes = base64.decodebytes(data)
      # 將加密數據轉換位bytes型別數據
      cipher = AES.new(key.encode('utf8'), AES.MODE_CBC, vi.encode('utf8'))
      text_decrypted = cipher.decrypt(encodebytes)
      # 去補位
      text_decrypted = unpad(text_decrypted)
      text_decrypted = text_decrypted.decode('utf8')
      print(text_decrypted)
      return text_decrypted

  if __name__ == '__main__':
      key = '5c44c819appsapi0'
      data = 'herish acorn'
      enctext = AES_Encrypt(key, data)
      print(enctext)
      AES_Decrypt(key, enctext)


▍非對稱加密演算法（RSA、DSA）

  • 安裝第三方庫：

    • RSA 加密演算法是一種非對稱加密演算法。加密和解密使用不同的祕鑰。一把作爲公開的公鑰，另一把作爲私鑰。這對金鑰中的公鑰進行加密，私鑰用於解密。

    • 事實上，公鑰加密演算法很少用於數據加密，它通常只是用來做身份認證，因爲它的金鑰太長，加密速度太慢–公鑰加密演算法的速度甚至比對稱加密演算法的速度慢上 3 個數量級（1000 倍）。

    • 在公開金鑰加密和電子商業中 RSA 被廣泛使用。它被普遍認爲是目前最優秀的公鑰方案之一。RSA 是第一個能同時用於加密和數位簽名的演算法，它能夠抵抗到目前爲止已知的所有密碼攻擊。

        import rsa

  # 返回 公鑰加密、私鑰解密
  public_key, private_key = rsa.newkeys(1024)
  print(public_key)
  # PublicKey(115358647593237027749555219330290547595292720354379729059572469455025379115527291514465303947468690370446593609121177089794716265226101498361786298396410892325533861129676356325971818358112602498513419680609056457389715318966834362898086552554130435425753061655286667511557573410756120684188042377774434444807, 65537)
  print(private_key)
  # PrivateKey(115358647593237027749555219330290547595292720354379729059572469455025379115527291514465303947468690370446593609121177089794716265226101498361786298396410892325533861129676356325971818358112602498513419680609056457389715318966834362898086552554130435425753061655286667511557573410756120684188042377774434444807, 65537, 111285529956928522901721617280604228002764723117703733926382810265271061290888840676549733913221737511493431004615227720952917381576663793443813612330045581626681883557204892676718975967265771623672679503776812616315334112382868415864141371197836942710738341439472967902074841400226409659228441303650822610777, 
  # 38470842708546405208704625508367712891471208299333441783981501073550023095274000403563916879641908231011170773153102126825952183163444780110955065002626432268349573, 2998599444966402616240989100234166167805477168671480027322013770416359562366030923233399853472241710845190991402502764232214027989568380839340059)
  plaintext = b"15863274538"
  ciphertext = rsa.encrypt(plaintext, public_key)
  print(ciphertext)
  # b'\x04\xb3ri\x1e\nA\xfb\x94\xff\xde{HtNw\xd4Q{\xdeRJ\xe0Fwl\x97kL\xde\xe6m\xc1\x8f\xd4\t\x96=\xb62\xad\x02\xfe\xeb4\xb4i\x8f\x9e\x0fp\x10\xbe\x8fiNrrUB\xbc\xe3\x87Q-\xe2\xa5\x86\xd9\x0b6,.\x90\xa1\xa6\x80\xf3\xaa\xcc\xdf7!\xdcp\xea\x0eE_?$\x8b\xcd\xb2\xca\x18\xf9e\xb5\x9b^\x84CcU\xe5.\xaeeFlz\xdeh\xb8\xa3D\xcb\xb6\xd5\x02\xe38\x98\xc80#Q'
  plaintext = rsa.decrypt(ciphertext, private_key)
  print(plaintext)
  # b'15863274538'

  # 私鑰加簽、公鑰驗签
  plaintext = b"15863274538"
  sign_message = rsa.sign(plaintext, private_key, "MD5")
  plaintext = b"15863274538"
  method = rsa.verify(b"15863274532", sign_message, public_key)
  print(method)
  # rsa.pkcs1.VerificationError: Verification failed


▍補充演算法

  • Base64

    • 目前 Base64 已經成爲網路上常見的傳輸 8Bit 位元組程式碼的編碼方式之一。

    • 在做支付系統時，系統之間的報文互動都需要使用 Base64 對明文進行轉碼，然後再進行簽名或加密，之後再進行（或再次 Base64）傳輸。

    • Base64 在 URL、Cookie、網頁傳輸少量二進制檔案中也有相應的使用。

        from base64 import b64encode, b64decode

  plaintext = "我的銀行卡密碼是020012"
  ciphertext = b64encode(plaintext.encode())
  print(ciphertext)
  # b'5oiR55qE6ZO26KGM5Y2h5a+G56CB5pivMDIwMDEy'

  plaintext = b64decode(ciphertext)
  print(plaintext)
  # b'\xe6\x88\x91\xe7\x9a\x84\xe9\x93\xb6\xe8\xa1\x8c\xe5\x8d\xa1\xe5\xaf\x86\xe7\xa0\x81\xe6\x98\xaf020012'


  print(plaintext.decode())
  # 我的銀行卡密碼是020012

ref

  • https://tw511.com/a/01/8289.html#2_6