利用20行Python 代码实现加密通信

目录
  • 一、引言
  • 二、加密技术
  • 三、普通锁:简单的对称加密
  • 四、不可篡改的指纹:哈希函数
  • 五、矛与盾:非对称加密
  • 六、真言:数字签名
  • 七、总结

一、引言

网络上充满了窃听,我们的信息很容易被不怀好意的人获得,给我们造成不好的影响。如果你需要在网络上传输机密或者敏感的隐私信息,为了防备别有用心的人窃听,可能需要加密。而使用在线或者手机上的加密软件,可能不良软件更是泄露信息的温床。所以作为程序员的我们,完全可以自己来实现一个加密系统。

本文用 20 行 Python 代码来演示加密、解密、签名、验证的功能。大家依样画葫芦,不仅能理解加密技术,更能自己实现一套加密通信机制。

加密、解密建立在较高深的数学理论之上,不建议大家自己实现加密算法,直接调用相应库即可。

二、加密技术

加密技术我们这里演示两种,分别是对称加密和非对称加密。

讲解加密技术之前,我们需要假设下我们的使用场景,也是密码学常见的设定。

  • Alice Bob是通信双方
  • Eve是一个窃听者
  • 传递的消息是PlainText
  • 加密使用的秘钥key
  • 加密后的密文是secret message

三、普通锁:简单的对称加密

对称加密:加密和解密双方使用同一个秘钥。比如这里, key='1234567887654321'.encode('utf-8'),这个 key 是 Alice 和 Bob 共同的密钥。当 Alice 发消息时,他需要如下操作完成加密。

from Crypto.Cipher import AES
cryptor = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
secret = cryptor.encrypt(plain.encode('utf-8'))
secret = b64encode(secret)
  • 第一行 导入了AES算法。AES 是对称加密的一种算法
  • 第二行 新建加密器,key 是秘钥, AES.MODE_ECB 是信息填充模式
  • 第三行 完成 encrypt 加密
  • 第四行 加密后后的信息由 b64encode 编码后,发送给 Bob。

HTTP 是文本协议,内容都是文本字符。想要对二进制文件进行传输,需要把它转化为文本,Base64代码就是用字符指代二进制的编码形式。

Bob 收到信息之后,进行如下解码、解密操作。

secret = b64decode(secret)
plainText = cryptor.decrypt(secret).decode('utf-8')

得到的 plainText 是 Alice 发来的明文信息。

注意:两个人用同一个秘钥来加密、解密。

现在我们先来解决一个小问题:网络经常丢包,导致 Alice 说话有时候缺头少尾,这该怎么办呢?

四、不可篡改的指纹:哈希函数

像人都有指纹一样,传递的消息也有自己的指纹。哈希函数用来找到消息的指纹。哈希函数也称为消息摘要函数,见名知意,是把一段内容提要出来,做成指纹。这个输出(指纹)很有特点:

  • 不论输入多长,输出长度固定,输出看起来像乱码。
  • 输入变一点,输出有很大不同。
  • 消息可推出指纹,指纹推不出消息。

靠着以上特性,Alice 可以把消息哈希一下,把哈希值和消息都给 Bob。Bob 也把消息哈希一下,如果两个值一样,表明这句话内容完整,没有篡改和丢掉信息。

from hashlib import md5
plainText = 'I love you!'
hash_ = md5(plainText.encode('utf-8')).hexdigest()

结果这样:690a8cda8894e37a6fff4d1790d53b33。如果 Bob 也对这条消息哈希,结果相同的话,说明这条信息完整。

现在我们再来解决一个大问题:对称加密如果秘钥遗失了,被坏人 Eve 获取之后,他完全可以窃听 Alice 和 Bob 之间的通信,甚至可以伪装成对方向另一方发送消息。

现在需要非对称加密登场了。

五、矛与盾:非对称加密

非对称加密,就是加密和解密秘钥不是一个,是一对。自己持有的称为私钥,交给对方的称为公钥。特点是:

  • 公钥加密,私钥解密。
  • 私钥加密,公钥解密。
  • 私钥可推导出公钥,反之不行。

利用以上特点,我们可以实现安全的加密算法。首先 Bob 产生秘钥,并保存为文件。

import rsa
Bob_pubkey, Bob_privkey = rsa.newkeys(512)
with open('Bob-pri.pem', 'wb')as prif, open('Bob-pub.pem', 'wb')as pubf:
    prif.write(Bob_privkey.save_pkcs1())
    pubf.write(Bob_pubkey.save_pkcs1())

其中

  • Bob_prikey 是 Bob 的私钥,自己存放。
  • Bob_pubkey 是 Bob 的公钥,交给 Bob。
  • Alice 发送信息给 Bob 时

使用 Bob 的公钥加密:secret=rsa.encrypt(plain_byte,Bob_pubkey)

  • Bob 接收到消息后

Bob 使用自己的私钥,来对 Alice 发来的信息进行解密: plain=rsa.decrypt(secret,Bob_prikey).decode('utf-8')。

Bob 的公钥可以让 Alice 发消息给 Bob,Bob 用自己的私钥揭秘。同样,Alice 的密钥对可以让对方发消息给自己。至此,Alice 和 Bob 实现了安全的通信,他们用对方公钥加密,用自己的私钥解密发给自己的信息。

Alice 发给 Bob 的信息,即使被 Eve 截获了,他也没有 Bob 的私钥,解不开密文。

但是,存在一个问题,如果 Eve 用 Bob 的公钥加密信息,伪装成 Alice 发个 Bob,这样怎么办呢?怎么确定 Alice 是 Alice 而不是 Eve 呢?问题的关键,在于 Alice 持有 Alice 私钥,而 Eve 没有私钥,这是数字签名技术的基础。

六、真言:数字签名

Eve 伪装成 Alice,如同假唐僧伪装成唐僧,言行举止看起来很像,让人怎么区分呢?很简单,真唐僧有一个核心科技,那就是紧箍咒。

非对称加密时,通常用公钥加密,私钥解密。如果用私钥加密,其实相当与签名了。因为只有私钥持有者才能加密,且被公钥解密。所以私钥加密相当于私钥持有者确认签名——该消息来自私钥持有人。

私钥就相当于真唐僧的紧箍咒。

因为效率,一般不对原始信息进行加密,而是对其哈希之后的值进行加密。根据上文哈希的特性,这依然可以保证原始信息唯一、未篡改。

对消息摘要进行私钥加密,称为数字签名。

验证步骤如下:

  • Alice 准备发送信息 PlainText
  • 首先计算其 MD5 哈希值 Hash_a
  • 再对哈希值进行私钥加密(数字签名)
  • 发送 Alice 的公钥,数字签名,消息给 Bob
  • Bob 收到信息后
  • 使用 Alice 的公钥解密数字签名,产生一个待验证哈希值 Hash_a
  • 然后计算消息哈希值 Hash_b
  • 如果Hasha == Hashb,说明发送者必然是持有私钥的 Alice ,且消息未修改
  • 否则,说明信息不是 Alice 发送的
signature = rsa.sign(plain_byte, Alice_prikey, 'MD5')
status = rsa.verify(plain_byte, signature, Alice_pubkey)

注意上例 sign 方法中签名的是 Alice 的私钥,而检查时则使用 Alice 的公钥。Alice 无法抵赖他签名的信息,因为只有他持有自己的私钥,别人无法签名(私钥加密)一个这样的信息。

如同真唐僧会念紧箍咒,这就是他的私钥。假唐僧看起来很像样,但是他并不掌握紧箍咒,所以无法念动真言。

七、总结

本文用 20 行 Python 代码来演示如何实现安全通信的功能。

哈希函数,是可以提取消息数字指纹的工具,他可以验证数据完整性。

对称加密简单实用。

借助非对称加密,我们实现了安全通信,而数字签名使得对方无法伪装或抵赖。

到此这篇关于利用Python 代码实现加密通信的文章就介绍到这了,更多相关Python 加密通信内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们!

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