Python + Cryptography : 给你的数据加把锁

一、密码学基础
二、Cryptography 包简介
三、示例
四、结论

当我们进入一个数据泄露变得司空见惯的时代时，理解和实施安全数据传输比以往任何时候都更加重要。 Python 以其简单性和强大的功能而闻名，已成为加密实现中的关键角色。在这篇文章中，我们将深入研究 Python 的 Cryptography 包，并探索它如何保护我们的数据安全。

一、密码学基础

密码学的核心是编码和解码的艺术。它由加密（将纯文本转换为难以理解的文本）和解密（相反的过程）等技术组成。密码是用于执行加密或解密的口令。

有两种主要的加密类型：

对称加密：加密和解密使用相同的密钥。
非对称加密：使用一对密钥——用于加密的公钥和用于解密的私钥。

非对称加密（又称为公钥加密）与对称加密相比具有几个关键优势：

1) 密钥分发和管理：非对称加密使用一对密钥（一个公钥和一个私钥）。公钥可以公开分享，用于加密数据，而私钥保持机密，用于解密数据。这解决了对称加密中的一个主要问题：安全地分发密钥。在对称加密中，同一个密钥用于加密和解密，因此必须安全地传递给通信双方，这在不安全的通道中是一个挑战。

2) 安全性：由于私钥从不共享，非对称加密通常被认为比对称加密更安全。即使公钥被公开，没有私钥，攻击者也无法解密信息。

3) 数字签名和身份验证：非对称加密可以用于创建数字签名。发送方用私钥对信息进行签名，接收方则用公钥验证签名。这不仅确保了信息的完整性，还验证了发送方的身份，为通信提供了额外的安全层。

然而，非对称加密也有其缺点。它通常比对称加密慢得多，因为它依赖于更复杂的数学运算。因此，在实际应用中，常常将两者结合使用：使用非对称加密安全地交换对称加密的密钥，然后使用对称加密进行实际的数据传输。这种方法结合了两者的优点，提供了既安全又高效的加密解决方案。

二、Cryptography 包简介

Python 中的 Cryptography 包是一个强大的库，为常见的加密算法提供高级和低级接口。它对于初学者来说用户友好，对于专家来说足够安全。

Cryptography 是一个开源软件，源代码见https://github.com/pyca/cryptography。

Cryptography 的官方文档见https://cryptography.io/en/latest/。

您可以通过在终端中运行以下命令，使用 Python 包管理器 pip 安装 Cryptography：

pip install cryptography

或从国内清华源安装（速度快）：

pip install cryptography -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple

三、示例

让我们深入研究一些实际示例：

(一) 示例1：使用 Fernet 对字符串进行对称加密

下面的代码演示了如何对一个字符串进行对称加密和解密的过程。

from cryptography.fernet import Fernet

# 生成一个密钥
key = Fernet.generate_key()
cipher_suite = Fernet(key)

# 要加密的中文字符串
text_to_encrypt = "Hello 小土豆"

# 将字符串转换为UTF-8编码的字节类型
encoded_text = text_to_encrypt.encode('utf-8')

# 使用Fernet加密
cipher_text = cipher_suite.encrypt(encoded_text)

# 输出加密后的内容
print("加密后的内容:", cipher_text)

# 解密
decrypted_text = cipher_suite.decrypt(cipher_text)

# 将字节类型的解密内容转换回字符串
decoded_text = decrypted_text.decode('utf-8')

# 输出解密后的内容
print("解密后的内容:", decoded_text)

输出：

加密后的内容: b'gAAAAABlr2gdwXccVz1Tzfk5Ks0ltyd8mjK-pfQlIWBnITju6TtuSTc-J3xkYL0Ao6WjjGTPyWIIaQbV97Pef9Lu1R9IA8vpBQ=='

解密后的内容: Hello 小土豆

(二) 示例2：使用 Fernet 对文件进行对称加密

下面的代码既适用于文本文件，也适用于二进制文件，因为使用的是二进制模式（'rb' 和 'wb'）来读写文件。

from cryptography.fernet import Fernet
import os

# 生成一个密钥
key = Fernet.generate_key()
cipher_suite = Fernet(key)

def encrypt_file(file_path, encrypted_file_path):
    # 读取文件内容
    with open(file_path, 'rb') as file:
        file_data = file.read()

    # 使用Fernet加密文件内容
    encrypted_data = cipher_suite.encrypt(file_data)

    # 将加密后的内容写入新文件
    with open(encrypted_file_path, 'wb') as file:
        file.write(encrypted_data)

def decrypt_file(encrypted_file_path, decrypted_file_path):
    # 读取加密的文件内容
    with open(encrypted_file_path, 'rb') as file:
        encrypted_data = file.read()

    # 解密文件内容
    decrypted_data = cipher_suite.decrypt(encrypted_data)

    # 将解密后的内容写入新文件
    with open(decrypted_file_path, 'wb') as file:
        file.write(decrypted_data)

# 示例文件路径
file_path = 'example.txt' # 假设这是您要加密的文件
encrypted_file_path = 'encrypted_example.txt' # 加密后的文件
decrypted_file_path = 'decrypted_example.txt' # 解密后的文件

# 加密文件
encrypt_file(file_path, encrypted_file_path)

# 解密文件
decrypt_file(encrypted_file_path, decrypted_file_path)

(三) 示例3：使用 RSA 对字符串进行非对称加密

下面的代码演示了如何对一个字符串进行非对称加密和解密的过程。

from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives import serialization
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding
from cryptography.hazmat.primitives import hashes

# 生成私钥
private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048,
    backend=default_backend()
)

# 生成公钥
public_key = private_key.public_key()

# 要加密的消息
message_to_encrypt = "Hi 小菠萝"

# 将字符串转换为UTF-8编码的字节
encoded_message = message_to_encrypt.encode('utf-8')

# 加密
encrypted = public_key.encrypt(
    encoded_message,
    padding.OAEP(
        mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
        algorithm=hashes.SHA256(),
        label=None
    )
)

# 解密
decrypted_message = private_key.decrypt(
    encrypted,
    padding.OAEP(
        mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
        algorithm=hashes.SHA256(),
        label=None
    )
)

# 将解密后的字节转换回字符串
decoded_message = decrypted_message.decode('utf-8')

# 打印解密后的内容
print("解密后的内容: ", decoded_message)

输出：

解密后的内容: Hi 小菠萝

(四) 示例4：使用 RSA 对文件进行非对称加密

下面的代码演示了如何对一个文件进行非对称加密和解密的过程。

from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives import serialization
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding
from cryptography.hazmat.primitives import hashes

# 生成私钥
private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048,
    backend=default_backend()
)

# 生成公钥
public_key = private_key.public_key()

def encrypt_file(file_path, encrypted_file_path):
    # 读取文件内容
    with open(file_path, 'rb') as file:
        file_data = file.read()

    # 加密文件内容
    encrypted_data = public_key.encrypt(
        file_data,
        padding.OAEP(
            mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
            algorithm=hashes.SHA256(),
            label=None
        )
    )

    # 将加密后的内容写入新文件
    with open(encrypted_file_path, 'wb') as file:
        file.write(encrypted_data)

def decrypt_file(encrypted_file_path, decrypted_file_path):
    # 读取加密的文件内容
    with open(encrypted_file_path, 'rb') as file:
        encrypted_data = file.read()

    # 解密文件内容
    decrypted_data = private_key.decrypt(
        encrypted_data,
        padding.OAEP(
            mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
            algorithm=hashes.SHA256(),
            label=None
        )
    )

    # 将解密后的内容写入新文件
    with open(decrypted_file_path, 'wb') as file:
        file.write(decrypted_data)

# 示例文件路径
file_path = 'example.txt'  # 假设这是您要加密的文件
encrypted_file_path = 'encrypted_example.txt'  # 加密后的文件路径
decrypted_file_path = 'decrypted_example.txt'  # 解密后的文件路径

# 加密文件
encrypt_file(file_path, encrypted_file_path)

# 解密文件
decrypt_file(encrypted_file_path, decrypted_file_path)

四、结论

密码学在数字安全中的集成是不可或缺的，Python 的 Cryptography 包使这项技术变得易于使用。无论您是新手还是专家，Cryptography 包都会让您的信息和文件变得安全，它是保护您数据安全的大锁。