1、簡介
資訊加密和資訊隱藏是實作資訊安全與保密的主要手段，從古至今人類發明了大量的加密演算法和隱藏資訊的方法，例如，把紙條螺旋纏繞在一根木棍上然后往上寫字，展開后通過一定的渠道把紙條傳遞給對方，對方把紙條螺旋纏繞到同樣粗細的木棍上就可以正常閱讀資訊，其他人即使知道這樣的方法，如果不知道木棍的直徑也無法解密資訊，可以說木棍的直徑是這種加密方法中的密鑰，再如，古代武林高手把一些秘籍通過特定的手段寫到羊皮上，只有使用正確的方法才能看到上面的內容，戰爭年代聰明的老百姓也發明了在煮熟的雞蛋清上寫字的方法來傳遞情報，電視劇《連城訣》中的終極秘密則是隱藏在一本《唐詩300首》書中，
除了可以設計自己的加密演算法或者自己撰寫程式實作經典的加密解密演算法之外，帶可以充分利用Python標準庫和擴展庫提供的豐富功能，Python標準庫hashlib實作了SHA1、SHA224、SHA256、SHA384、SHA512以及MD5等多個安全哈希演算法，在眾多的Python擴展庫中，pycrypto可以說是密碼學編程模塊中最成功也是最成熟的一個，具有很高的市場占在率，另外，cryptography也有一定數量的用戶在使用，擴展庫pycrypto和cryptography提供了SHA系統演算法和RIPEMD160等多個安全哈希演算法，以及DES、AES、RSA、DSA、ElGamal等多個加密演算法和數字簽名演算法的實作，
2、經典密碼演算法
很多經典密碼演算法的安全性很低，甚至很容易被詞頻分析這樣的簡易攻擊手段破解，因此已經很少再使用，盡管如此，經典密碼演算法的一些思想還是很有借鑒意義和參考價值的，
2.1、愷撒密碼演算法
愷撒密碼作為古老的加密演算法之一，在古羅馬的時候就已經廣泛使用了，愷撒密碼演算法的基本思想是：通過把字母移動一定的位數來實作加密和解密，明文中的所有字母都在字母表上向后（或向前）按照一個固定數目進行偏移后被替換成密文，例如，當偏移量是3的時候，所有的字母A將被替換成D，B變成E，以此類推，X將變成A，Y變成B，Z變成C，移動的位數就是愷撒密碼加密和解密的密鑰，
#! /usr/bin/env python3 # -*- coding:utf-8 -*- # Author : MaYi # Blog : http://www.cnblogs.com/mayi0312/ # Date : 2020-04-16 # Name : test01 # Software : PyCharm # Note : 愷撒密碼演算法 def kai_sa_encrypt(ch, k): if (not isinstance(ch, str)) or len(ch) != 1: print("The first parameter must be a character!") return if (not isinstance(k, int)) or (not 1<= k <= 25): print("The second parameter must be an integer between 1 and 25!") return # 把英文字母變換為后面第k個字母 if "a" <= ch <= chr(ord("z") - k): return chr(ord(ch) + k) elif chr(ord("z") - k) < ch <= "z": return chr((ord(ch) - ord("a") + k) % 26 + ord("a")) elif "A" <= ch <= chr(ord("Z") - k): return chr(ord(ch) + k) elif chr(ord("Z") - k) < ch <= "Z": return chr((ord(ch) - ord("A") + k) % 26 + ord("A")) else: return ch def encrypt(plain, k): return "".join([kai_sa_encrypt(ch, k) for ch in plain]) def kai_sa_decrypt(ch, k): if (not isinstance(ch, str)) or len(ch) != 1: print("The first parameter must be a character!") return if (not isinstance(k, int)) or (not 1<= k <= 25): print("The second parameter must be an integer between 1 and 25!") return # 把英文字母首尾相連，然后把每個字母變換為前面第k個字母 if chr(ord("a") + k) <= ch <= "z": return chr(ord(ch) - k) elif "a" <= ch < chr(ord("a") + k): return chr((ord(ch) - k + 26)) elif chr(ord("A") + k) <= ch <= "Z": return chr(ord(ch) - k) elif "A" <= ch < chr(ord("A") + k): return chr((ord(ch) - k + 26)) else: return ch def decrypt(plain, k): return "".join([kai_sa_decrypt(ch, k) for ch in plain]) # 入口函式 if __name__ == '__main__': plain_text = "Explicit is better than implicit." cipher_text = encrypt(plain_text, 5) print("明文", plain_text) print("密文", cipher_text) print("明文", decrypt(cipher_text, 5))
程式運行結果：
明文 Explicit is better than implicit. 密文 Jcuqnhny nx gjyyjw ymfs nruqnhny. 明文 Explicit is better than implicit.
2.2、維吉尼亞密碼
維吉尼亞密碼演算法使用一個密鑰和一個表來實作加密，根據明文和密鑰的對應關系進行查表來決定加密結果，假設替換表如圖1所示，最上面一行表示明文，最左邊一串列示密鑰，那么二維表格中與明文字母和密鑰字母對應的字母就是加密結果，例如，單詞PYTHON使用ABCDEF做密鑰的加密結果為PZVKSS，
圖1 維吉尼亞密碼替換表
#! /usr/bin/env python3 # -*- coding:utf-8 -*- # Author : MaYi # Blog : http://www.cnblogs.com/mayi0312/ # Date : 2020-04-16 # Name : test02 # Software : PyCharm # Note : 維吉尼亞密碼 # 維吉尼亞密碼演算法使用一個密鑰和一個表來實作加密，根據明文和密鑰的對應 # 關系進行查表來決定加密結果， from string import ascii_uppercase as uppercase from itertools import cycle # 創建密碼表 table = dict() for ch in uppercase: index = uppercase.index(ch) table[ch] = uppercase[index:] + uppercase[:index] # 創建解密密碼表 de_table = {"A": "A"} start = "Z" for ch in uppercase[1:]: index = uppercase.index(ch) de_table[ch] = chr(ord(start) + 1 - index) # 解密密鑰 def de_key(s_key): return "".join([de_table[i] for i in s_key]) # 加密/解密 def encrypt(plain_text, key): result = [] # 創建cycle物件，支持密鑰字母的回圈使用 current_key = cycle(key) for c in plain_text: if "A" <= c <= "Z": i_index = uppercase.index(c) # 獲取密鑰字母 ck = next(current_key) result.append(table[ck][i_index]) else: result.append(c) return "".join(result) # 入口函式 if __name__ == '__main__': key = "MAYI" p = "PYTHON 3.5.2 PYTHON 2.7.11" c = encrypt(p, key) print("明文", p) print("密文", c) print("明文", encrypt(c, de_key(key)))
程式運行結果：
明文 PYTHON 3.5.2 PYTHON 2.7.11 密文 BYRPAN 3.5.2 NGFHMV 2.7.11 明文 PYTHON 3.5.2 PYTHON 2.7.11
2.3換位密碼演算法
換位密碼也是一種比較常見的經典密碼演算法，基本原理是先把明文按固定長度進行分組，然后對每一組的字符進行換位操作，從而實作加密，例如，字串“Errors should never pass silently.”使用密鑰1432進行加密時，首先將字串分成若干長度為4的分組，然后對每個組的字符進行換位，第1個字符和第3個字符位置不變，把第2個字符和第4個字符交換位置，得到“Eorrrs shluoden v repssa liseltny.”，
#! /usr/bin/env python3 # -*- coding:utf-8 -*- # Author : MaYi # Blog : http://www.cnblogs.com/mayi0312/ # Date : 2020-04-16 # Name : test03 # Software : PyCharm # Note : 換位密碼演算法 # 換位密碼也是一種比較常見的經典密碼演算法，基本原理是先把明文按固定長度進行 # 分組，然后對每一組的字符進行換位操作，從而實作加密， def encrypt(plain_text, t): result = [] length = len(t) # 把明文分組 temp = [plain_text[i: i + length] for i in range(0, len(plain_text), length)] # 對除最后一組之外的其他進行換位處理 for item in temp[:-1]: new_item = "" for i in t: new_item = new_item + item[i - 1] result.append(new_item) return "".join(result) + temp[-1] p = "Errors should never pass silently." # 加密 c = encrypt(p, (1, 4, 3, 2)) print("明文", p) print("密文", c) # 解密 print("明文", encrypt(c, (1, 4, 3, 2)))
程式運行結果：
明文 Errors should never pass silently. 密文 Eorrrs shluoden v repssa liseltny. 明文 Errors should never pass silently.
3、安全哈希演算法
安全哈希演算法也稱為報文摘要演算法，對任意長度的訊息可以計算得到固定長度的唯一指紋，理論上，即使是內容非常相似的訊息也不會得到完全相同的指紋，安全哈希演算法是不可逆的，無法從指紋還原得到原始訊息，屬于單向變換演算法，安全哈希演算法常用于數字簽名領域，可以驗證資訊是否被篡改，很多管理資訊系統把用戶密碼的哈希值存盤到資料庫中而不是直接存盤密碼明文，大幅度提高了系統的安全性，另外，檔案完整性檢查也經常用到MD5或其他安全哈希演算法，用來驗證檔案發布之后是否被非法修改，
下面的代碼使用Python標準庫hashlib計算字串的安全哈希值，
>>> import hashlib >>> hashlib.md5("abcdefg".encode()).hexdigest() '7ac66c0f148de9519b8bd264312c4d64' >>> hashlib.sha512("abcdefg".encode()).hexdigest() 'd716a4188569b68ab1b6dfac178e570114cdf0ea3a1cc0e31486c3e41241bc6a76424e8c37ab26f096fc85ef9886c8cb634187f4fddff645fb099f1ff54c6b8c' >>> hashlib.sha256("abcdefg".encode()).hexdigest() '7d1a54127b222502f5b79b5fb0803061152a44f92b37e23c6527baf665d4da9a'
Python擴展庫pycrypto也提供了MD2、MD4、MD5、HMAC、RIPEMD、SHA、SHA224、SHA256、SHA384、SHA512等多個安全哈希演算法的實作，
>>> from Crypto.Hash import SHA256 >>> h = SHA256.SHA256Hash("abcdefg".encode()) >>> h.hexdigest() '7d1a54127b222502f5b79b5fb0803061152a44f92b37e23c6527baf665d4da9a'
計算檔案的MD5值
#! /usr/bin/env python3 # -*- coding:utf-8 -*- # Author : MaYi # Blog : http://www.cnblogs.com/mayi0312/ # Date : 2020-04-16 # Name : test04 # Software : PyCharm # Note : 計算檔案的MD5值 import sys import hashlib import os.path # 入口函式 if __name__ == '__main__': file_name = sys.argv[1] if os.path.isfile(file_name): fp = open(file_name, "rb") contents = fp.read() fp.close() print(hashlib.md5(contents).hexdigest()) else: print("file not exists")
把上面的代碼保存為檔案test04.py，然后計算指定檔案的MD5值，對該檔案進行微波修改后再次計算其MD5值，可以發現，哪怕只是修改了一點點內容，MD5值的變化也是非常大的，如圖2所示，
圖2 計算檔案的MD5值
備注：MD5演算法屬于單身變換演算法，不存在反函式，暴力測驗幾乎成為唯一可能的MD5破解方法，
4、非對稱密鑰密碼演算法RSA
RSA是一種典型的非對稱密鑰密碼體制，從加密密鑰和解密密鑰中的任何一個推匯出另一個在計算上是不可行的，RSA的安全性建立在“大數分解和素性檢測”這一著名數論難題的基礎上，公鑰可以完全公開，不需要進行保密，但必須提供完整性檢測機制以保證不受篡改；私鑰由用戶自己保存，通信雙方無須實作交換密鑰就可以進行保密通信，
使用rsa模塊來實作訊息加密和解密，
#! /usr/bin/env python3 # -*- coding:utf-8 -*- # Author : MaYi # Blog : http://www.cnblogs.com/mayi0312/ # Date : 2020-04-16 # Name : test01 # Software : PyCharm # Note : 非對稱密鑰密碼演算法RSA import rsa # 入口函式 if __name__ == '__main__': # 生成隨機密鑰 key = rsa.newkeys(3000) # 私鑰 private_key = key[1] # 公鑰 public_key = key[0] message = "中國廣東省深圳市.Now is better than never." print("明文:", message) message = message.encode() crypted_message = rsa.encrypt(message, public_key) print("密文:\n", crypted_message) message = rsa.decrypt(crypted_message, private_key) message = message.decode() print("明文:", message)
程式運行結果：
明文: 中國廣東省深圳市.Now is better than never. 密文: b'\t\xe71\xe9\xc5<\x0b\t \xec~\xa1\x88\xa2\xc0}\xbb#\xbe\x11\xb0eq~46\x80\xdf\x1c9\xabGQp\xbc\x9b\xdd\xb7f\x96\x1d\x0e\xc4\x07;]\x8d:\xb8\xd7\xb7\x96\x9d\x1ce\xb4\xc8O\xb3c\x08U\xac\xbf\xe8\xb4\x1e#8#\xc7\xbf\xc9\x9eTz\xdd\x00X(>\xc8\\\xe5\xb2~\xbc\xcd5\xab\xea\xf4\xaf\xdc\xd3\x9a\x12\xe9]\x8b\xd9\xb23\xd0C\xeb\xab\'M\x14\xe2@\'\x8e\xf0;\xfe\x18{{\xd9\xe8\xd4rf\xed\xde\x97\x81\x90\xdfh\xcf!W"\x0fk\x93\x9d\xa7\xce\xb5?\x98\xb4\xabG\xb1l=\x17}\xc4z\xad\xa6#\x8fG\xcf\xafC\xa2\xa8*q7\xd7J^\xa9\xa21tw\x1a\xd8\x80gjK\xc7Z\xf0"~M\xb6\x82\x03\xfe!\x8f\x80F\x1eJ\x84\x97\xe7\x01T\xcc\x93=\x17mb\x99\x84B\xb4z\xe33\xe7dIgG\xdd\xd2\xf9\xb9\x10\xc2\x1dM\xfc\xfe\xa2xC\x83\x93\xf5\xfbV\x16\x0f.\xd5\xa3/\xf4A\x12\xba2\x80\xcd\x1d\xe7\xa8\xe7n\xdf\xacXo\x92q\x83\x13l\x06\xb9\xb1\xf2\x80UL\x8b\xc0g`/\xe1\xb1\x80\x19Ca\x1b\xab-\x018:1\x7f\xc0\xd1\xfb\xe5\x9f\xf0\x1b;\xbc\xa9\tq\xea\xd2\xc0H\x91\xe8\x17\xa8\xc6\x9a\x87t\x85<v\xf9\xeb\xe8\xadK\x1d\x94P`QJ]\xb8\xb82\xb3\x9cm\x18\x92 \xaeT\x03\xadO\xf4\xcek\x9f\x90T,Arb,"j\x92\x02\x17i\xfdkU\xe0\xe0\x97\xab\x1d\xf1f\xda\x9e\x90' 明文: 中國廣東省深圳市.Now is better than never.
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