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Cryptography中的对称密钥加解密:fernet算法探究

时间:2018-01-19 00:14:41      阅读:207      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:加解密   instance   产生   根据   dom   基本   封装   nic   import   

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cryptography是python语言中非常著名的加解密库,在算法层面提供了高层次的抽象,使用起来非常简单、直观,pythonic,同时还保留了各种不同算法的低级别接口,保留灵活性。

我们知道加密一般分为对称加密(Symmetric Key Encryption)和非对称加密(Asymmetric Key Encryption)。,各自对应多种不同的算法,每种算法又有不同的密钥位长要求,另外还涉及到不同的分组加密模式,以及末尾补齐方式。因此需要高层次的抽象,把这些参数封装起来,让我们使用时,不用关心这么多参数,只要知道这么用足够安全就够了。

 

对称加密又分为分组加密和序列加密,本文只讨论对称分组加密。

 

主流对称分组加密算法:DES、3DES、AES

主流对称分组加密模式:ECB、CBC、CFB、OFB

主流填充标准:PKCS7、ISO 10126、ANSI X.923、Zero padding

 

 

在cryptography库中,对称加密算法的抽象是fernet模块,包括了对数据的加解密以及签名验证功能,以及密钥过期机制。

该模块采用如下定义:

  • 加解密算法为AES,密钥位长128,CBC模式,填充标准PKCS7
  • 签名算法为SHA256的HMAC,密钥位长128位
  • 密钥可以设置过期时间
 
使用fernet加解密的例子如下:
>>> import os
>>> from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
>>> from cryptography.hazmat.backends import default_backend
>>> backend = default_backend()
>>> key = os.urandom(32)
>>> iv = os.urandom(16)
>>> cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=backend)
>>> encryptor = cipher.encryptor()
>>> ct = encryptor.update(b"a secret message") + encryptor.finalize()
>>> decryptor = cipher.decryptor()
>>> decryptor.update(ct) + decryptor.finalize()
a secret message

 

 
 
可见加密时除了指定算法和模式,以及生成随机的key之外,CBC模式还需要生成一个随机的初始向量iv;解密时也要提供iv。
 
cryptography库的fernet模块封装了对称加密的操作,提供了三个基本操作:
产生对称密钥:   generate_key
用对称密钥加密:encrypt
用对称密钥解密:decrypt
 
 
generate_key:可见只是产生了一个32位随机数,并用base64编码
  @classmethod
    def generate_key(cls):
        return base64.urlsafe_b64encode(os.urandom(32))
 
生成32位密钥后,前16位用来计算hmac,后16位用来加解密
  self._signing_key = key[:16]
        self._encryption_key = key[16:]
        self._backend = backend
 
encrypt:
1. 获取current_time,并随机生成16位的CBC初始向量iv
2. 指定padding方式为PKCS7
3. 把要加密的原始data用padding方式补齐
4. 指定用AES算法CBC模式加密
5. 加密得到ciphertext
6. 把current_time、iv、ciphertext三者合并得到一个basic_parts
  basic_parts = (
            b"\x80" + struct.pack(">Q", current_time) + iv + ciphertext
        )

 

7. 计算basic_parts的hmac值
8. 把basic_parts + hmac 做base64计算后返回,这就是我们最终得到的加密数据,里面包含了时间戳、iv、密文、hmac
  def encrypt(self, data):
        current_time = int(time.time())
        iv = os.urandom(16)
        return self._encrypt_from_parts(data, current_time, iv)

    def _encrypt_from_parts(self, data, current_time, iv):
        if not isinstance(data, bytes):
            raise TypeError("data must be bytes.")

        padder = padding.PKCS7(algorithms.AES.block_size).padder()
        padded_data = padder.update(data) + padder.finalize()
        encryptor = Cipher(
            algorithms.AES(self._encryption_key), modes.CBC(iv), self._backend
        ).encryptor()
        ciphertext = encryptor.update(padded_data) + encryptor.finalize()

        basic_parts = (
            b"\x80" + struct.pack(">Q", current_time) + iv + ciphertext
        )

        h = HMAC(self._signing_key, hashes.SHA256(), backend=self._backend)
        h.update(basic_parts)
        hmac = h.finalize()
        return base64.urlsafe_b64encode(basic_parts + hmac)

 

decrypt:
完全于encrypt相反的操作
1. 得到current_time
2. base64解码token,得到包含时间戳、iv、密文、hmac的data
3. 根据时间戳和ttl,判断密钥是否已经失效
4. 计算hmac,并于之前的hmac进行验证,判断密钥有效性
5. 获取iv,和密文,并通过密钥解密,得到经过pad的明文
6. 通过PKCS7进行unpaid操作,得到去掉补齐的明文
7. 返回最终结果
 
  def decrypt(self, token, ttl=None):
        if not isinstance(token, bytes):
            raise TypeError("token must be bytes.")

        current_time = int(time.time())

        try:
            data = base64.urlsafe_b64decode(token)
        except (TypeError, binascii.Error):
            raise InvalidToken

        if not data or six.indexbytes(data, 0) != 0x80:
            raise InvalidToken

        try:
            timestamp, = struct.unpack(">Q", data[1:9])
        except struct.error:
            raise InvalidToken
        if ttl is not None:
            if timestamp + ttl < current_time:
                raise InvalidToken
        if current_time + _MAX_CLOCK_SKEW < timestamp:
            raise InvalidToken
        h = HMAC(self._signing_key, hashes.SHA256(), backend=self._backend)
        h.update(data[:-32])
        try:
            h.verify(data[-32:])
        except InvalidSignature:
            raise InvalidToken

        iv = data[9:25]
        ciphertext = data[25:-32]
        decryptor = Cipher(
            algorithms.AES(self._encryption_key), modes.CBC(iv), self._backend
        ).decryptor()
        plaintext_padded = decryptor.update(ciphertext)
        try:
            plaintext_padded += decryptor.finalize()
        except ValueError:
            raise InvalidToken
        unpadder = padding.PKCS7(algorithms.AES.block_size).unpadder()

        unpadded = unpadder.update(plaintext_padded)
        try:
            unpadded += unpadder.finalize()
        except ValueError:
            raise InvalidToken
        return unpadded

 

 
 

 

Cryptography中的对称密钥加解密:fernet算法探究

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原文地址:https://www.cnblogs.com/tian-jiang-ming/p/8313397.html

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