Python密码学指南

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密码学包简介

cryptography 是一个流行的 Python 库，提供密码学原语和安全协议实现方案。该库注重易用性和安全性，实现了 AES、RSA 等标准。它并非用于直接实现 SSH 或 TLS 等高级协议——请将其作为基础构建模块使用。务必确保及时更新以获取安全补丁。

安装

通过 pip 安装：

pip install cryptography

如需更好性能（特别是处理大密钥或频繁操作），可安装 OpenSSL 支持：

pip install cryptography[openssl]

注意：在某些系统上可能需要单独安装 OpenSSL 头文件（例如 Ubuntu 系统使用 apt install libssl-dev）。

基本概念

原语：加密/解密等底层操作
方案：高级封装函数（如用于对称加密的 Fernet）
风险警告：库会针对不安全使用发出警告——请务必关注

导入库：

from cryptography.fernet import Fernet
from cryptography.hazmat.primitives import serialization, hashes, asyncioc as a
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding

示例

1. 使用 Fernet 进行对称加密（最适合初学者）

Fernet 采用 AES-128 CBC 模式配合 HMAC 确保完整性，非常适合加密存储数据。

from cryptography.fernet import Fernet

# 生成密钥（请安全存储，如环境变量）
key = Fernet.generate_key()
cipher = Fernet(key)

# 加密
plaintext = b"这是秘密信息"
token = cipher.encrypt(plaintext)
print("加密结果:", token)

# 解密
decrypted = cipher.decrypt(token)
print("解密结果:", decrypted)

注意：密钥为 URL 安全的 base64 格式（44 字符）。切勿硬编码密钥，需定期轮换。

2. 使用 RSA 进行非对称加密

生成公私钥对，加密数据后仅私钥持有者可解密。

from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding

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

# 序列化存储
pem_private = private_key.private_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,
    encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()  # 密码保护请使用 BestAvailableEncryption()
)

# 获取并序列化公钥
public_key = private_key.public_key()
pem_public = public_key.public_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
)

# 使用公钥加密
plaintext = b"秘密信息"
ciphertext = public_key.encrypt(
    plaintext,
    padding.OAEP(mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()), algorithm=hashes.SHA256(), label=None)
)

# 使用私钥解密
decrypted = private_key.decrypt(
    ciphertext,
    padding.OAEP(mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()), algorithm=hashes.SHA256(), label=None)
)
print("解密结果:", decrypted)

注意：RSA 处理大数据较慢，建议用于密钥交换或小消息。OAEP 填充可防范攻击。

3. 生成和使用哈希

用于完整性校验或密码哈希。

from cryptography.hazmat.primitives import hashes

# 哈希计算
digest = hashes.Hash(hashes.SHA256())
digest.update(b"待处理数据")
hash_result = digest.finalize()
print("SHA256 哈希:", hash_result.hex())

密码处理请使用 cryptography.hazmat.primitives.kdf.pbkdf2 进行密钥派生（例如使用 PBKDF2 进行加盐慢哈希）。

4. 使用 RSA 进行数字签名

对数据签名以验证真实性。

# 使用前述 RSA 密钥
message = b"待签名数据"
signature = private_key.sign(
    message,
    padding.PSS(mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()), salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH),
    hashes.SHA256()
)

# 使用公钥验证
try:
    public_key.verify(
        signature,
        message,
        padding.PSS(mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()), salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH),
        hashes.SHA256()
    )
    print("签名有效")
except Exception:
    print("签名无效")

最佳实践

密钥管理：安全存储密钥（如使用 AWS KMS、硬件安全模块）。切勿重复使用密钥。
填充和模式：始终使用安全填充（如 RSA 用 OAEP，AES 用 GCM）。
随机性：使用 os.urandom() 或 secrets 模块生成随机数，避免使用 random。
更新：密码学技术持续演进——定期检查使用方式是否存在漏洞。
避免自造轮子：复杂需求请使用现成方案或集成高级库（如 pyjwt 或 boto3）。
测试：使用库提供的常量和异常进行错误处理。

扩展阅读

官方文档——详细 API 参考和教程
PyPI 页面——版本历史和集成信息
高级主题可查阅 cryptography Wiki 或 RFC 文档（如 PKCS#1 的 RFC 8017）

如有具体使用场景（如文件加密或 API 安全），提供详细信息可获取针对性示例。

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