Python 的加密库入门 | Linux 中国

2019 年 5 月 9 日 Linux中国

密码学俱乐部的第一条规则是：永远不要自己发明密码系统。密码学俱乐部的第二条规则是：永远不要自己实现密码系统：在现实世界中，在实现以及设计密码系统阶段都找到过许多漏洞。

Python 中的一个有用的基本加密库就叫做 cryptography。它既是一个“安全”方面的基础库，也是一个“危险”层。“危险”层需要更加小心和相关的知识，并且使用它很容易出现安全漏洞。在这篇介绍性文章中，我们不会涵盖“危险”层中的任何内容！

cryptography 库中最有用的高级安全功能是一种 Fernet 实现。Fernet 是一种遵循最佳实践的加密缓冲区的标准。它不适用于非常大的文件，如千兆字节以上的文件，因为它要求你一次加载要加密或解密的内容到内存缓冲区中。

Fernet 支持对称symmetric（即密钥secret key）加密方式*：加密和解密使用相同的密钥，因此必须保持安全。

生成密钥很简单：

   
   
     
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> k = fernet.Fernet.generate_key()
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> type(k)
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        <class 'bytes'>

这些字节可以写入有适当权限的文件，最好是在安全的机器上。

有了密钥后，加密也很容易：

   
   
     
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> frn = fernet.Fernet(k)
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> encrypted = frn.encrypt(b"x marks the spot")
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> encrypted[:10]
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        b'gAAAAABb1'

如果在你的机器上加密，你会看到略微不同的值。不仅因为（我希望）你生成了和我不同的密钥，而且因为 Fernet 将要加密的值与一些随机生成的缓冲区连接起来。这是我之前提到的“最佳实践”之一：它将阻止对手分辨哪些加密值是相同的，这有时是攻击的重要部分。

解密同样简单：

   
   
     
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> frn = fernet.Fernet(k)
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> frn.decrypt(encrypted)
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        b'x marks the spot'

请注意，这仅加密和解密字节串。为了加密和解密文本串，通常需要对它们使用 UTF-8 进行编码和解码。

20 世纪中期密码学最有趣的进展之一是公钥public key加密。它可以在发布加密密钥的同时而让解密密钥保持保密。例如，它可用于保存服务器使用的 API 密钥：服务器是唯一可以访问解密密钥的一方，但是任何人都可以保存公共加密密钥。

虽然 cryptography 没有任何支持公钥加密的安全功能，但 PyNaCl 库有。PyNaCl 封装并提供了一些很好的方法来使用 Daniel J. Bernstein 发明的 NaCl 加密系统。

NaCl 始终同时加密encrypt和签名sign或者同时解密decrypt和验证签名verify signature。这是一种防止基于可伸缩性malleability-based的攻击的方法，其中攻击者会修改加密值。

加密是使用公钥完成的，而签名是使用密钥完成的：

   
   
     
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> from nacl.public import PrivateKey, PublicKey, Box
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> source = PrivateKey.generate()
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> with open("target.pubkey", "rb") as fpin:
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        ... target_public_key = PublicKey(fpin.read())
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> enc_box = Box(source, target_public_key)
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> result = enc_box.encrypt(b"x marks the spot")
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> result[:4]
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        b'\xe2\x1c0\xa4'

解密颠倒了角色：它需要私钥进行解密，需要公钥验证签名：

   
   
     
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> from nacl.public import PrivateKey, PublicKey, Box
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> with open("source.pubkey", "rb") as fpin:
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        ... source_public_key = PublicKey(fpin.read())
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> with open("target.private_key", "rb") as fpin:
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        ... target = PrivateKey(fpin.read())
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> dec_box = Box(target, source_public_key)
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        >>> dec_box.decrypt(result)
     
     
       
    
    
      
     
     
       
      
      
        b'x marks the spot'