引言
随着互联网的普及，数据传输与存储中的安全性问题变得尤为重要。加密算法是一种有效保护数据的方法，广泛应用于文件加密、网络通信以及身份认证等场景中。Python作为一种易于上手且功能强大的编程语言，提供了多种加密库供开发者使用，如cryptography、pycryptodome等库。本篇文章将详细介绍Python中的加密算法，包括对称加密、非对称加密和哈希算法，并提供示例代码演示如何实现这些算法。
加密算法分类
加密算法主要分为以下三大类：
1.对称加密算法：加密和解密使用相同的密钥。该类算法速度快，适用于大规模数据加密。常见算法包括AES、DES。
2.非对称加密算法：使用一对密钥，公钥用于加密，私钥用于解密。这类算法安全性高，但速度相对较慢，适合加密少量数据或进行数字签名。常见算法有RSA、DSA。
3.哈希算法：通过散列函数生成固定长度的哈希值，用于数据完整性校验和密码存储。常见的哈希算法包括MD5、SHA-1、SHA-256等。
对称加密算法——AES
AES 算法原理
AES（Advanced Encryption Standard）是一种对称加密算法，因其高效的性能和安全性，成为数据加密的标准。AES支持128位、192位和256位的密钥长度，并采用分组加密的方式，即将数据分割为固定长度（128位）的块，逐块加密。
AES 工作模式：AES提供了多种工作模式，常见的包括：
ECB（Electronic Codebook）模式：直接对每个数据块进行加密，简单易用，但存在数据模式泄露的风险。
CBC（Cipher Block Chaining）模式：将前一个数据块的密文与下一个明文块进行异或，增加了安全性。
CFB（Cipher Feedback）模式：一种反馈模式，将密文的一部分反馈到加密过程。
GCM（Galois/Counter Mode）模式：提供了认证和加密功能的组合。
Python AES 实现
使用cryptography库可以轻松实现AES加密和解密操作。以下是一个使用CBC模式的AES加密解密示例。
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes from cryptography.hazmat.backends import default_backend from cryptography.hazmat.primitives import padding import os # AES加密函数 def aes_encrypt(key, plaintext): backend = default_backend() iv = os.urandom(16) # 生成16字节的初始化向量 cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=backend) encryptor = cipher.encryptor() # PKCS7填充，确保数据块长度为128位 padder = padding.PKCS7(algorithms.AES.block_size).padder() padded_data = padder.update(plaintext) + padder.finalize() # 执行加密 ciphertext = encryptor.update(padded_data) + encryptor.finalize() return iv + ciphertext # AES解密函数 def aes_decrypt(key, ciphertext): backend = default_backend() iv = ciphertext[:16] ciphertext = ciphertext[16:] cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=backend) decryptor = cipher.decryptor() decrypted_data = decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize() # 移除填充 unpadder = padding.PKCS7(algorithms.AES.block_size).unpadder() plaintext = unpadder.update(decrypted_data) + unpadder.finalize() return plaintext # 示例用法 key = b'0123456789abcdef' # 密钥长度为16字节 plaintext = b'Hello, AES encryption!' encrypted_data = aes_encrypt(key, plaintext) print("加密后的数据:", encrypted_data.hex()) decrypted_data = aes_decrypt(key, encrypted_data) print("解密后的数据:", decrypted_data.decode('utf-8'))
在这个示例中，我们使用AES CBC模式对数据进行加密。os.urandom(16)生成随机的初始化向量（IV），确保每次加密结果不同。使用PKCS7填充确保输入的数据长度是块大小的倍数，避免加密出错。
非对称加密算法——RSA
RSA 算法原理
RSA（Rivest-Shamir-Adleman）是一种非对称加密算法，通过一对密钥（公钥和私钥）实现加密和解密。公钥可以公开用于加密数据，私钥则用于解密。RSA的安全性基于大整数分解的困难性，因此需要较大的密钥长度（通常为2048位或以上）来确保足够的安全性。
RSA的工作过程如下：
1.密钥生成：生成一对公钥和私钥。
2.加密：使用接收方的公钥对数据进行加密。
3.解密：接收方使用私钥解密数据。
4.数字签名：发送方使用私钥对消息签名，接收方使用公钥验证签名。
Python RSA 实现
使用cryptography库可以方便地实现RSA加密、解密和签名操作。以下是一个RSA加密解密的示例代码：
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding from cryptography.hazmat.primitives import hashes from cryptography.hazmat.backends import default_backend # RSA密钥生成函数 def rsa_key_generation(): private_key = rsa.generate_private_key( public_exponent=65537, key_size=2048, # 生成2048位密钥 backend=default_backend() ) public_key = private_key.public_key() return private_key, public_key # RSA加密函数 def rsa_encrypt(public_key, plaintext): ciphertext = public_key.encrypt( plaintext, padding.OAEP( mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()), algorithm=hashes.SHA256(), label=None ) ) return ciphertext # RSA解密函数 def rsa_decrypt(private_key, ciphertext): plaintext = private_key.decrypt( ciphertext, padding.OAEP( mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()), algorithm=hashes.SHA256(), label=None ) ) return plaintext # 示例用法 private_key, public_key = rsa_key_generation() plaintext = b'Hello, RSA encryption!' encrypted_data = rsa_encrypt(public_key, plaintext) print("加密后的数据:", encrypted_data.hex()) decrypted_data = rsa_decrypt(private_key, encrypted_data) print("解密后的数据:", decrypted_data.decode('utf-8'))
在这个示例中，我们首先生成了一对RSA密钥，使用公钥对明文进行加密，再使用私钥解密得到原始数据。RSA加密过程中使用了OAEP填充，这是RSA中的一种安全填充模式，并使用SHA-256作为哈希算法，确保数据的完整性和安全性。
哈希算法
MD5 与 SHA 系列
哈希算法是一种将任意长度的输入转换为固定长度的输出的算法，输出称为“哈希值”或“摘要”。哈希算法在密码学中广泛用于校验数据完整性、数字签名以及密码存储。常见的哈希算法包括：
MD5（Message Digest Algorithm 5）：输出128位哈希值，虽然速度快，但不适用于安全场景。
SHA（Secure Hash Algorithm）系列：SHA-1输出160位哈希值，但已已不安全，推荐使用SHA-256及更高版本，如SHA-512。
Python 哈希算法实现
Python标准库中的hashlib模块提供了MD5、SHA等常用哈希算法的实现。以下是一个简单的SHA-256哈希示例：
import hashlib def hash_sha256(data): sha256 = hashlib.sha256() sha256.update(data) return sha256.hexdigest() # 示例用法 data = b'Hello, hash algorithm!' hash_value = hash_sha256(data) print("SHA-256哈希值:", hash_value)
在这个示例中，我们使用hashlib.sha256()生成了一个SHA-256哈希值，适用于数据完整性校验等场景。
总结
本文详细介绍了Python中常用的三大类加密算法——对称加密、非对称加密以及哈希算法。通过具体示例代码展示了如何使用AES和RSA进行加密和解密操作，以及如何使用哈希算法进行数据完整性校验。
在实际项目中，选择合适的加密算法至关重要。例如，AES适用于大规模数据加密，RSA适合小规模数据加密及密钥交换，而SHA等哈希算法则用于验证数据完整性。通过合理组合使用这些算法，可以有效提升系统的安全性。
