一、引言

網(wǎng)絡(luò)上充滿了竊聽，我們的信息很容易被不懷好意的人獲得，給我們造成不好的影響。如果你需要在網(wǎng)絡(luò)上傳輸機密或者敏感的隱私信息，為了防備別有用心的人竊聽，可能需要加密。而使用在線或者手機上的加密軟件，可能不良軟件更是泄露信息的溫床。所以作為程序員的我們，完全可以自己來實現(xiàn)一個加密系統(tǒng)。

本文用 20 行 Python 代碼來演示加密、解密、簽名、驗證的功能。大家依樣畫葫蘆，不僅能理解加密技術(shù)，更能自己實現(xiàn)一套加密通信機制。

加密、解密建立在較高深的數(shù)學(xué)理論之上，不建議大家自己實現(xiàn)加密算法，直接調(diào)用相應(yīng)庫即可。

二、加密技術(shù)

加密技術(shù)我們這里演示兩種，分別是對稱加密和非對稱加密。

講解加密技術(shù)之前，我們需要假設(shè)下我們的使用場景，也是密碼學(xué)常見的設(shè)定。

• Alice Bob是通信雙方
• Eve是一個竊聽者
• 傳遞的消息是PlainText
• 加密使用的秘鑰key
• 加密后的密文是secret message

三、普通鎖：簡單的對稱加密

對稱加密：加密和解密雙方使用同一個秘鑰。比如這里， key='1234567887654321'.encode('utf-8')，這個 key 是 Alice 和 Bob 共同的密鑰。當(dāng) Alice 發(fā)消息時，他需要如下操作完成加密。

from Crypto.Cipher import AES

cryptor = AES.new(key, AES.MODE_ECB)

secret = cryptor.encrypt(plain.encode('utf-8'))

secret = b64encode(secret)

• 第一行 導(dǎo)入了AES算法。AES 是對稱加密的一種算法
• 第二行 新建加密器，key 是秘鑰， AES.MODE_ECB 是信息填充模式
• 第三行 完成 encrypt 加密
• 第四行 加密后后的信息由 b64encode 編碼后，發(fā)送給 Bob。

HTTP 是文本協(xié)議，內(nèi)容都是文本字符。想要對二進制文件進行傳輸，需要把它轉(zhuǎn)化為文本，Base64代碼就是用字符指代二進制的編碼形式。

Bob 收到信息之后，進行如下解碼、解密操作。

secret = b64decode(secret)
plainText = cryptor.decrypt(secret).decode('utf-8')

得到的 plainText 是 Alice 發(fā)來的明文信息。

注意，兩個人用同一個秘鑰來加密、解密。

現(xiàn)在我們先來解決一個小問題：網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常丟包，導(dǎo)致 Alice 說話有時候缺頭少尾，這該怎么辦呢?

四、不可篡改的指紋：哈希函數(shù)

像人都有指紋一樣，傳遞的消息也有自己的指紋。哈希函數(shù)用來找到消息的指紋。哈希函數(shù)也稱為消息摘要函數(shù)，見名知意，是把一段內(nèi)容提要出來，做成指紋。這個輸出(指紋)很有特點：

不論輸入多長，輸出長度固定，輸出看起來像亂碼。

輸入變一點，輸出有很大不同。

消息可推出指紋，指紋推不出消息。

靠著以上特性，Alice 可以把消息哈希一下，把哈希值和消息都給 Bob。Bob 也把消息哈希一下，如果兩個值一樣，表明這句話內(nèi)容完整，沒有篡改和丟掉信息。

from hashlib import md5
plainText = 'I love you!'
hash_ = md5(plainText.encode('utf-8')).hexdigest()

結(jié)果這樣：690a8cda8894e37a6fff4d1790d53b33。如果 Bob 也對這條消息哈希，結(jié)果相同的話，說明這條信息完整。

現(xiàn)在我們再來解決一個大問題：對稱加密如果秘鑰遺失了，被壞人 Eve 獲取之后，他完全可以竊聽 Alice 和 Bob 之間的通信，甚至可以偽裝成對方向另一方發(fā)送消息。

現(xiàn)在需要非對稱加密登場了。

五、矛與盾：非對稱加密

非對稱加密，就是加密和解密秘鑰不是一個，是一對。自己持有的稱為私鑰，交給對方的稱為公鑰。特點是：

• 公鑰加密，私鑰解密。
• 私鑰加密，公鑰解密。
• 私鑰可推導(dǎo)出公鑰，反之不行。

利用以上特點，我們可以實現(xiàn)安全的加密算法。首先 Bob 產(chǎn)生秘鑰，并保存為文件。

import rsa
Bob_pubkey, Bob_privkey = rsa.newkeys(512)
with open('Bob-pri.pem', 'wb')as prif, open('Bob-pub.pem', 'wb')as pubf:
prif.write(Bob_privkey.save_pkcs1())
pubf.write(Bob_pubkey.save_pkcs1())

其中

• Bob_prikey 是 Bob 的私鑰，自己存放。
• Bob_pubkey 是 Bob 的公鑰，交給 Bob。

Alice 發(fā)送信息給 Bob 時

• 使用 Bob 的公鑰加密： secret=rsa.encrypt(plain_byte,Bob_pubkey)。

Bob 接收到消息后

• Bob 使用自己的私鑰，來對 Alice 發(fā)來的信息進行解密： plain=rsa.decrypt(secret,Bob_prikey).decode('utf-8')。

Bob 的公鑰可以讓 Alice 發(fā)消息給 Bob，Bob 用自己的私鑰揭秘。同樣，Alice 的密鑰對可以讓對方發(fā)消息給自己。至此，Alice 和 Bob 實現(xiàn)了安全的通信，他們用對方公鑰加密，用自己的私鑰解密發(fā)給自己的信息。

Alice 發(fā)給 Bob 的信息，即使被 Eve 截獲了，他也沒有 Bob 的私鑰，解不開密文。

但是，存在一個問題，如果 Eve 用 Bob 的公鑰加密信息，偽裝成 Alice 發(fā)個 Bob，這樣怎么辦呢?怎么確定 Alice 是 Alice 而不是 Eve 呢?問題的關(guān)鍵，在于 Alice 持有 Alice 私鑰，而 Eve 沒有私鑰，這是數(shù)字簽名技術(shù)的基礎(chǔ)。

六、真言：數(shù)字簽名

Eve 偽裝成 Alice，如同假唐僧偽裝成唐僧，言行舉止看起來很像，讓人怎么區(qū)分呢?很簡單，真唐僧有一個核心科技，那就是緊箍咒。

非對稱加密時，通常用公鑰加密，私鑰解密。如果用私鑰加密，其實相當(dāng)與簽名了。因為只有私鑰持有者才能加密，且被公鑰解密。所以私鑰加密相當(dāng)于私鑰持有者確認簽名——該消息來自私鑰持有人。

私鑰就相當(dāng)于真唐僧的緊箍咒。

因為效率，一般不對原始信息進行加密，而是對其哈希之后的值進行加密。根據(jù)上文哈希的特性，這依然可以保證原始信息唯一、未篡改。

對消息摘要進行私鑰加密，稱為數(shù)字簽名。

驗證步驟如下：

• Alice 準(zhǔn)備發(fā)送信息 PlainText
• 首先計算其 MD5 哈希值 Hash_a
• 再對哈希值進行私鑰加密(數(shù)字簽名)
• 發(fā)送 Alice 的公鑰，數(shù)字簽名，消息給 Bob
• Bob 收到信息后
• 使用 Alice 的公鑰解密數(shù)字簽名，產(chǎn)生一個待驗證哈希值 Hash_a
• 然后計算消息哈希值 Hash_b
• 如果Hasha == Hashb，說明發(fā)送者必然是持有私鑰的 Alice ，且消息未修改
• 否則，說明信息不是 Alice 發(fā)送的

signature = rsa.sign(plain_byte, Alice_prikey, 'MD5')
status = rsa.verify(plain_byte, signature, Alice_pubkey)

注意上例 sign 方法中簽名的是 Alice 的私鑰，而檢查時則使用 Alice 的公鑰。Alice 無法抵賴他簽名的信息，因為只有他持有自己的私鑰，別人無法簽名(私鑰加密)一個這樣的信息。

如同真唐僧會念緊箍咒，這就是他的私鑰。假唐僧看起來很像樣，但是他并不掌握緊箍咒，所以無法念動真言。

七、總結(jié)

本文用 20 行 Python 代碼來演示如何實現(xiàn)安全通信的功能。

哈希函數(shù)，是可以提取消息數(shù)字指紋的工具，他可以驗證數(shù)據(jù)完整性。

對稱加密簡單實用。

借助非對稱加密，我們實現(xiàn)了安全通信，而數(shù)字簽名使得對方無法偽裝或抵賴。