利用20行Python 程式碼實現加密通訊

2022-03-28 19:00:38

一、引言

網路上充滿了竊聽，我們的資訊很容易被不懷好意的人獲得，給我們造成不好的影響。如果你需要在網路上傳輸機密或者敏感的隱私資訊，為了防備別有用心的人竊聽，可能需要加密。而使用線上或者手機上的加密軟體，可能不良軟體更是洩露資訊的溫床。所以作為程式設計師的我們，完全可以自己來實現一個加密系統。

本文用 20 行 Python 程式碼來演示加密、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，更能自己實現一套加密通訊機制。

加密、解密建立在較高深的數學理論之上，不建議大家自己實現加密演演算法，直接呼叫相應庫即可。

二、加密技術

加密技術我們這裡演示兩種，分別是對稱加密和非對稱加密。

講解加密技術之前，我們需要假設下我們的使用場景，也是密碼學常見的設定。

Alice Bob是通訊雙方
Eve是一個竊聽者
傳遞的訊息是PlainText
加密使用的祕鑰key
加密後的密文是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祕鑰。比如這裡， key='1234567887654321'.encode('utf-8')，這個 key 是 Alice 和 Bob 共同的金鑰。當 Alice 發訊息時，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)

第一行匯入了AES演演算法。AES 是對稱加密的一種演演算法
第二行新建加密器，key 是祕鑰， AES.MODE_ECB 是資訊填充模式
第三行完成 encrypt 加密
第四行加密後後的資訊由 b64encode 編碼後，傳送給 Bob。

HTTP 是文字協定，內容都是文字字元。想要對二進位制檔案進行傳輸，需要把它轉化為文字，Base64程式碼就是用字元指代二進位制的編碼形式。

Bob 收到資訊之後，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 發來的明文資訊。

注意：兩個人用同一個祕鑰來加密、解密。

現在我們先來解決一個小問題：網路經常丟包，導致 Alice 說話有時候缺頭少尾，這該怎麼辦呢？

四、不可篡改的指紋：雜湊函數

像人都有指紋一樣，傳遞的訊息也有自己的指紋。雜湊函數用來找到訊息的指紋。雜湊函數也稱為訊息摘要函數，見名知意，是把一段內容提要出來，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。
訊息可推出指紋，指紋推不出訊息。

靠著以上特性，Alice 可以把訊息雜湊一下，把雜湊值和訊息都給 Bob。Bob 也把訊息雜湊一下，如果兩個值一樣，表明這句話內容完整，沒有篡改和丟掉資訊。

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

結果這樣：690a8cda8894e37a6fff4d1790d53b33。如果 Bob 也對這條訊息雜湊，結果相同的話，說明這條資訊完整。

現在我們再來解決一個大問題：對稱加密如果祕鑰遺失了，被壞人 Eve 獲取之後，他完全可以竊聽 Alice 和 Bob 之間的通訊，甚至可以偽裝成對方向另一方傳送訊息。

現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，就是加密和解密祕鑰不是一個，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。
私鑰可推匯出公鑰，反之不行。

利用以上特點，我們可以實現安全的加密演演算法。首先 Bob 產生祕鑰，並儲存為檔案。

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 傳送資訊給 Bob 時

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

Bob 接收到訊息後

Bob 使用自己的私鑰，來對 Alice 發來的資訊進行解密： plain=rsa.decrypt(secret,Bob_prikey).decode('utf-8')。

Bob 的公鑰可以讓 Alice 發訊息給 Bob，Bob 用自己的私鑰揭祕。同樣，Alice 的金鑰對可以讓對方發訊息給自己。至此，Alice 和 Bob 實現了安全的通訊，他們用對方公鑰加密，用自己的私鑰解密發給自己的資訊。

Alice 發給 Bob 的資訊，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 的公鑰加密資訊，偽裝成 Alice 發個 Bob，這樣怎麼辦呢？怎麼確定 Alice 是 Alice 而不是 Eve 呢？問題的關鍵，在於 Alice 持有 Alice 私鑰，而 Eve 沒有私鑰，這是數位簽章技術的基礎。

六、真言：數位簽章

Eve 偽裝成 Alice，如同假唐僧偽裝成唐僧，言行舉止看起來很像，讓人怎麼區分呢？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。所以私鑰加密相當於私鑰持有者確認簽名——該訊息來自私鑰持有人。

私鑰就相當於真唐僧的緊箍咒。

因為效率，一般不對原始資訊進行加密，而是對其雜湊之後的值進行加密。根據上文雜湊的特性，這依然可以保證原始資訊唯一、未篡改。

對訊息摘要進行私鑰加密，稱為數位簽章。

驗證步驟如下：

Alice 準備傳送資訊 PlainText
首先計算其 MD5 雜湊值 Hash_a
再對雜湊值進行私鑰加密（數位簽章）
傳送 Alice 的公鑰，數位簽章，訊息給 Bob
Bob 收到資訊後
使用 Alice 的公鑰解密數位簽章，產生一個待驗證雜湊值 Hash_a
然後計算訊息雜湊值 Hash_b
如果Hasha == Hashb，說明傳送者必然是持有私鑰的 Alice ，且訊息未修改
否則，說明資訊不是 Alice 傳送的

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

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

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，但是他並不掌握緊箍咒，所以無法念動真言。

七、總結

本文用 20 行 Python 程式碼來演示如何實現安全通訊的功能。

雜湊函數，是可以提取訊息數位指紋的工具，他可以驗證資料完整性。

對稱加密簡單實用。

藉助非對稱加密，我們實現了安全通訊，而數位簽章使得對方無法偽裝或抵賴。

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