Python工具箱系列(十八)

非对称加解密应用广泛，它的存在是致力于解决密钥通过公共信道传输这一经典难题。对称加密有一个天然的缺点，就是加密方和解密方都要持有同样的密钥，而这个密钥在传递过程中有可能会被截获，从而使加解密失效。难不成还要为密钥的传输再做一次加密？这样不就陷入了死循环？或许有人在想，密钥即使被盗取，不还有加密算法保证信息安全吗？但任何算法最终都会被破译，所以不能依赖算法的复杂度来保证安全。

可能的解决方案如下：

事先共享密
钥密钥分配中心
Diffie-Hellman密钥交换
非对称加密

非对称加密就是一种广泛应用的加解密技术。非对称加密需要4个密钥。通信双方各自准备一对公钥和私钥。其中公钥是公开的，由信息接受方提供给信息发送方。公钥用来对信息加密。私钥由信息接受方保留，用来解密。既然公钥是公开的，就不存在保密问题。也就是说非对称加密完全不存在密钥配送问题。

下面是一个简单的场景：

小明确定了自己的私钥mPrivateKey，公钥 mPublicKey。自己保留私钥，将公钥mPublicKey发给了小红。
小红确定了自己的私钥hPrivateKey，公钥 hPublicKey。自己保留私钥，将公钥hPublicKey发给了小明。
小明发送信息“周六早10点智慧谷见”，并且用小红的公钥hPublicKey进行加密。
小红收到信息后用自己的私钥hPrivateKey进行解密。然后回复 “收到，不要迟到” 并用小明的公钥mPublicKey加密。
小明收到信息后用自己的私钥mPrivateKey进行解密。

由于非对称密钥的特点，没有私钥就无法解密配对的公钥加密的信息，所以小明不担心自己公钥的任意发布、复制。同一公钥无法对此公钥加密的信息解密。所以，问题就变成了，只要保存好私钥就可以保证数据传输的安全，而私钥不需要在公共信息网络上传递，安全性是有基本保障的。

RSA是1977年由罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。RSA是现在使用最为广泛的非对称加密算法。其原理本文不再赘述，毕竟本系列的文章重在实用。而一旦某一天发现了快速做质因数分解的算法，那么RSA就不再安全。

需要注意的是：

非对称加密的处理速度只有对称加密的几百分之一。不适合对很长的消息做加密。
1024bit的RSA不应该再被新的应用使用。至少要2048bit的RSA。
RSA解决了密码配送问题，但是效率更低。所以有些时候，根据需求可能会配合使用对称和非对称加密，形成混合密码系统，各取所长。

下面使用RSA进行数据加解密，先安装必要的模块：

pip install pycryptodome

生成密钥对的代码如下：

from Crypto import Random
from Crypto.PublicKey import RSA


random_generator = Random.new().read
rsa = RSA.generate(2048, random_generator)
# 生成私钥
private_key = rsa.exportKey()
print(private_key.decode(\'utf-8\'))
# 生成公钥
public_key = rsa.publickey().exportKey()
print(public_key.decode(\'utf-8\'))

with open(\'demo_private_key.pem\', \'wb\')as f:
  f.write(private_key)
 
with open(\'demo_public_key.pem\', \'wb\')as f:
  f.write(public_key)

也可以直接使用命令生成密钥对：

openssl genrsa -out rsa_private_key.pem 1024
openssl rsa -in rsa_private_key.pem -pubout -out rsa_public_key.pem

将公钥文件通过电邮、QQ、微信等各种通信方式发送给对方。此时就具备了相互加密通信的可能性。

以下代码演示了发送的过程：

import base64
from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Hash import SHA
from Crypto.Signature import PKCS1_v1_5 as PKCS1_signature
from Crypto.Cipher import PKCS1_v1_5 as PKCS1_cipher

def get_key(key_file):
  with open(key_file) as f:
    data = f.read()
    key = RSA.importKey(data)

  return key

def encrypt_data(msg,key):
  cipher = PKCS1_cipher.new(key)
  encrypt_text = base64.b64encode(cipher.encrypt(bytes(msg.encode(\"utf8\"))))
  return encrypt_text.decode(\'utf-8\')

public_key = get_key(\'demo_public_key.pem\')
encryptedmsg = encrypt_data(\"hello,tiangong\",public_key)
print(encryptedmsg)
with open(\"encryptmsg.txt\", \"w\", encoding=\'utf-8\') as output_file:
  output_file.write(encryptedmsg)

以上代码将明文“hello,tiangong”通过公钥变换成为密文，并且保存在文件encryptmsg.txt。

内容如下所示：

jFabADeOZOx44R73gUvD9KwKy7nmhzf4fMeP2YBo0ff2DCv/B/2jYD2s6n0p8El2Nt/bnLdGAPKhC/HCv6AzNDG2bjSDLjn9Uy+aWe5h568Z4cPzzmlkIDbOwjCv1VMXaonV28vLW1mznbVLDSOT0Qd13D3KcaoZLRZRzvhyUAe52Yuizi3wfrhBrnfEXdtZzIA5FSRauxT77l/d81RmMbbQk+uN+E8aC3XwJOHfEGhvimU9gcv2NVyh4AI1Gqjfq61KbS/I4Iwo2knHnHHssGLeO6jxk/5JkNw7I8PO+qc27KdF3Ye4uQ+Woy0RoJ6LyFi41wJjs9mk8YJu9DHevg==

我们假设发送方通过各种方式（socket、电邮、微信等）将密文内容发送给了接收者，接收者使用自己的私钥进行解密。

其代码如下：

import base64
from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Hash import SHA
from Crypto.Signature import PKCS1_v1_5 as PKCS1_signature
from Crypto.Cipher import PKCS1_v1_5 as PKCS1_cipher

def get_key(key_file):
  with open(key_file) as f:
    data = f.read()
    key = RSA.importKey(data)

  return key

def decrypt_data(encrypt_msg,key):
  cipher = PKCS1_cipher.new(key)
  back_text = cipher.decrypt(base64.b64decode(encrypt_msg), 0)
  return back_text.decode(\'utf-8\')

with open(\"encryptmsg.txt\", \"r\", encoding=\'utf-8\') as output_file:
  encryptedmsg = output_file.read()
 
private_key = get_key(\'demo_private_key.pem\')
plainmsg = decrypt_data(encryptedmsg,private_key)
print(plainmsg)

运行后即可解出密文。以上就是一个单向加解密的完整过程。