常見幾種加密算法的Python實現

編程中經常要實現一些加密算法，今天我們就聊聊這些加密算法的Python實現。

部分常用的加密方法基本都有對應的Python庫，基本不再需要我們用代碼實現具體算法。

MD5加密

全稱：MD5消息摘要算法（英語：MD5 Message-Digest Algorithm），一種被廣泛使用的密碼散列函數，可以產生出一個128位（16字節）的散列值（hash value），用於確保信息傳輸完整一致。md5加密算法是不可逆的，所以解密一般都是通過暴力窮舉方法，通過網站的接口實現解密。

import hashlib
m = hashlib.md5()
m.update(str.encode("utf8"))
print(m.hexdigest())

SHA1加密

全稱：安全哈希算法（Secure Hash Algorithm）主要適用於數字簽名標準（Digital Signature Standard DSS）裏面定義的數字簽名算法（Digital Signature Algorithm DSA），SHA1比MD5的安全性更強。對於長度小於2^ 64位的消息，SHA1會產生一個160位的消息摘要。
Python代碼：

import hashlib
sha1 = hashlib.sha1()
data = '2333333'
sha1.update(data.encode('utf-8'))
sha1_data = sha1.hexdigest()
print(sha1_data)

HMAC加密

全稱：散列消息鑑別碼（Hash Message Authentication Code）， HMAC加密算法是一種安全的基於加密hash函數和共享密鑰的消息認證協議。實現原理是用公開函數和密鑰產生一個固定長度的值作爲認證標識，用這個標識鑑別消息的完整性。使用一個密鑰生成一個固定大小的小數據塊，即 MAC，並將其加入到消息中，然後傳輸。接收方利用與發送方共享的密鑰進行鑑別認證等。

import hmac
import hashlib
# 第一個參數是密鑰key，第二個參數是待加密的字符串，第三個參數是hash函數
mac = hmac.new('key','hello',hashlib.md5)
mac.digest()  # 字符串的ascii格式
mac.hexdigest()  # 加密後字符串的十六進制格式

DES加密

全稱：數據加密標準（Data Encryption Standard），屬於對稱加密算法。DES是一個分組加密算法，典型的DES以64位爲分組對數據加密，加密和解密用的是同一個算法。它的密鑰長度是56位（因爲每個第8 位都用作奇偶校驗），密鑰可以是任意的56位的數，而且可以任意時候改變。

import binascii
from pyDes import des, CBC, PAD_PKCS5
# 需要安裝 pip install pyDes

def des_encrypt(secret_key, s):
    iv = secret_key
    k = des(secret_key, CBC, iv, pad=None, padmode=PAD_PKCS5)
    en = k.encrypt(s, padmode=PAD_PKCS5)
    return binascii.b2a_hex(en)

def des_decrypt(secret_key, s):
    iv = secret_key
    k = des(secret_key, CBC, iv, pad=None, padmode=PAD_PKCS5)
    de = k.decrypt(binascii.a2b_hex(s), padmode=PAD_PKCS5)
    return de

secret_str = des_encrypt('12345678', 'I love YOU~')
print(secret_str)
clear_str = des_decrypt('12345678', secret_str)
print(clear_str)

AES加密

全稱：高級加密標準（英語：Advanced Encryption Standard），在密碼學中又稱Rijndael加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。這個標準用來替代原先的DES，已經被多方分析且廣爲全世界所使用。

import base64
from Crypto.Cipher import AES

'''
AES對稱加密算法
'''
# 需要補位，str不是16的倍數那就補足爲16的倍數
def add_to_16(value):
    while len(value) % 16 != 0:
        value += '\0'
    return str.encode(value)  # 返回bytes
# 加密方法
def encrypt(key, text):
    aes = AES.new(add_to_16(key), AES.MODE_ECB)  # 初始化加密器
    encrypt_aes = aes.encrypt(add_to_16(text))  # 先進行aes加密
    encrypted_text = str(base64.encodebytes(encrypt_aes), encoding='utf-8')  # 執行加密並轉碼返回bytes
    return encrypted_text
# 解密方法
def decrypt(key, text):
    aes = AES.new(add_to_16(key), AES.MODE_ECB)  # 初始化加密器
    base64_decrypted = base64.decodebytes(text.encode(encoding='utf-8'))  # 優先逆向解密base64成bytes
    decrypted_text = str(aes.decrypt(base64_decrypted), encoding='utf-8').replace('\0', '')  # 執行解密密並轉碼返回str
    return decrypted_text

RSA加密

全稱：Rivest-Shamir-Adleman，RSA加密算法是一種非對稱加密算法。在公開密鑰加密和電子商業中RSA被廣泛使用。它被普遍認爲是目前最優秀的公鑰方案之一。RSA是第一個能同時用於加密和數字簽名的算法，它能夠抵抗到目前爲止已知的所有密碼攻擊。

# -*- coding: UTF-8 -*-
# reference codes: https://www.jianshu.com/p/7a4645691c68

import base64
import rsa
from rsa import common

# 使用 rsa庫進行RSA簽名和加解密
class RsaUtil(object):
    PUBLIC_KEY_PATH = 'xxxxpublic_key.pem'  # 公鑰
    PRIVATE_KEY_PATH = 'xxxxxprivate_key.pem'  # 私鑰

    # 初始化key
    def __init__(self,
                 company_pub_file=PUBLIC_KEY_PATH,
                 company_pri_file=PRIVATE_KEY_PATH):

        if company_pub_file:
            self.company_public_key = rsa.PublicKey.load_pkcs1_openssl_pem(open(company_pub_file).read())
        if company_pri_file:
            self.company_private_key = rsa.PrivateKey.load_pkcs1(open(company_pri_file).read())

    def get_max_length(self, rsa_key, encrypt=True):
        """加密內容過長時 需要分段加密 換算每一段的長度.
            :param rsa_key: 鑰匙.
            :param encrypt: 是否是加密.
        """
        blocksize = common.byte_size(rsa_key.n)
        reserve_size = 11  # 預留位爲11
        if not encrypt:  # 解密時不需要考慮預留位
            reserve_size = 0
        maxlength = blocksize - reserve_size
        return maxlength

    # 加密 支付方公鑰
    def encrypt_by_public_key(self, message):
        """使用公鑰加密.
            :param message: 需要加密的內容.
            加密之後需要對接過進行base64轉碼
        """
        encrypt_result = b''
        max_length = self.get_max_length(self.company_public_key)
        while message:
            input = message[:max_length]
            message = message[max_length:]
            out = rsa.encrypt(input, self.company_public_key)
            encrypt_result += out
        encrypt_result = base64.b64encode(encrypt_result)
        return encrypt_result

    def decrypt_by_private_key(self, message):
        """使用私鑰解密.
            :param message: 需要加密的內容.
            解密之後的內容直接是字符串，不需要在進行轉義
        """
        decrypt_result = b""

        max_length = self.get_max_length(self.company_private_key, False)
        decrypt_message = base64.b64decode(message)
        while decrypt_message:
            input = decrypt_message[:max_length]
            decrypt_message = decrypt_message[max_length:]
            out = rsa.decrypt(input, self.company_private_key)
            decrypt_result += out
        return decrypt_result

    # 簽名 商戶私鑰 base64轉碼
    def sign_by_private_key(self, data):
        """私鑰簽名.
            :param data: 需要簽名的內容.
            使用SHA-1 方法進行簽名（也可以使用MD5）
            簽名之後，需要轉義後輸出
        """
        signature = rsa.sign(str(data), priv_key=self.company_private_key, hash='SHA-1')
        return base64.b64encode(signature)

    def verify_by_public_key(self, message, signature):
        """公鑰驗籤.
            :param message: 驗籤的內容.
            :param signature: 對驗籤內容簽名的值（簽名之後，會進行b64encode轉碼，所以驗籤前也需轉碼）.
        """
        signature = base64.b64decode(signature)
        return rsa.verify(message, signature, self.company_public_key)

ECC加密

全稱：橢圓曲線加密（Elliptic Curve Cryptography），ECC加密算法是一種公鑰加密技術，以橢圓曲線理論爲基礎。利用有限域上橢圓曲線的點構成的Abel羣離散對數難解性，實現加密、解密和數字簽名。將橢圓曲線中的加法運算與離散對數中的模乘運算相對應，就可以建立基於橢圓曲線的對應密碼體制。

# -*- coding:utf-8 *-
# author: DYBOY
# reference codes: https://blog.dyboy.cn/websecurity/121.html
# description: ECC橢圓曲線加密算法實現
"""
    考慮K=kG ，其中K、G爲橢圓曲線Ep(a,b)上的點，n爲G的階（nG=O∞ ），k爲小於n的整數。
    則給定k和G，根據加法法則，計算K很容易但反過來，給定K和G，求k就非常困難。
    因爲實際使用中的ECC原則上把p取得相當大，n也相當大，要把n個解點逐一算出來列成上表是不可能的。
    這就是橢圓曲線加密算法的數學依據
    點G稱爲基點（base point）
    k（k<n）爲私有密鑰（privte key）
    K爲公開密鑰（public key)
"""

def get_inverse(mu, p):
    """
    獲取y的負元
    """
    for i in range(1, p):
        if (i*mu)%p == 1:
            return i
    return -1

def get_gcd(zi, mu):
    """
    獲取最大公約數
    """
    if mu:
        return get_gcd(mu, zi%mu)
    else:
        return zi

def get_np(x1, y1, x2, y2, a, p):
    """
    獲取n*p，每次+p，直到求解階數np=-p
    """
    flag = 1  # 定義符號位（+/-）

    # 如果 p=q  k=(3x2+a)/2y1mod p
    if x1 == x2 and y1 == y2:
        zi = 3 * (x1 ** 2) + a  # 計算分子      【求導】
        mu = 2 * y1    # 計算分母

    # 若P≠Q，則k=(y2-y1)/(x2-x1) mod p
    else:
        zi = y2 - y1
        mu = x2 - x1
        if zi* mu < 0:
            flag = 0        # 符號0爲-（負數）
            zi = abs(zi)
            mu = abs(mu)

    # 將分子和分母化爲最簡
    gcd_value = get_gcd(zi, mu)     # 最大公約數
    zi = zi // gcd_value            # 整除
    mu = mu // gcd_value
    # 求分母的逆元  逆元： ∀a ∈G ，ョb∈G 使得 ab = ba = e
    # P(x,y)的負元是 (x,-y mod p)= (x,p-y) ，有P+(-P)= O∞
    inverse_value = get_inverse(mu, p)
    k = (zi * inverse_value)

    if flag == 0:                   # 斜率負數 flag==0
        k = -k
    k = k % p
    # 計算x3,y3 P+Q
    """
        x3≡k2-x1-x2(mod p)
        y3≡k(x1-x3)-y1(mod p)
    """
    x3 = (k ** 2 - x1 - x2) % p
    y3 = (k * (x1 - x3) - y1) % p
    return x3,y3

def get_rank(x0, y0, a, b, p):
    """
    獲取橢圓曲線的階
    """
    x1 = x0             #-p的x座標
    y1 = (-1*y0)%p      #-p的y座標
    tempX = x0
    tempY = y0
    n = 1
    while True:
        n += 1
        # 求p+q的和，得到n*p，直到求出階
        p_x,p_y = get_np(tempX, tempY, x0, y0, a, p)
        # 如果 == -p,那麼階數+1，返回
        if p_x == x1 and p_y == y1:
            return n+1
        tempX = p_x
        tempY = p_y

def get_param(x0, a, b, p):
    """
    計算p與-p
    """
    y0 = -1
    for i in range(p):
        # 滿足取模約束條件，橢圓曲線Ep(a,b)，p爲質數，x,y∈[0,p-1]
        if i**2%p == (x0**3 + a*x0 + b)%p:
            y0 = i
            break

    # 如果y0沒有，返回false
    if y0 == -1:
        return False

    # 計算-y（負數取模）
    x1 = x0
    y1 = (-1*y0) % p
    return x0,y0,x1,y1

def get_graph(a, b, p):
    """
    輸出橢圓曲線散點圖
    """
    x_y = []
    # 初始化二維數組
    for i in range(p):
        x_y.append(['-' for i in range(p)])

    for i in range(p):
        val =get_param(i, a, b, p)  # 橢圓曲線上的點
        if(val != False):
            x0,y0,x1,y1 = val
            x_y[x0][y0] = 1
            x_y[x1][y1] = 1

    print("橢圓曲線的散列圖爲：")
    for i in range(p):              # i= 0-> p-1
        temp = p-1-i        # 倒序

        # 格式化輸出1/2位數，y座標軸
        if temp >= 10:
            print(temp, end=" ")
        else:
            print(temp, end="  ")

        # 輸出具體座標的值，一行
        for j in range(p):
            print(x_y[j][temp], end="  ")
        print("")   #換行

    # 輸出 x 座標軸
    print("  ", end="")
    for i in range(p):
        if i >=10:
            print(i, end=" ")
        else:
            print(i, end="  ")
    print('\n')

def get_ng(G_x, G_y, key, a, p):
    """
    計算nG
    """
    temp_x = G_x
    temp_y = G_y
    while key != 1:
        temp_x,temp_y = get_np(temp_x,temp_y, G_x, G_y, a, p)
        key -= 1
    return temp_x,temp_y

def ecc_main():
    while True:
        a = int(input("請輸入橢圓曲線參數a(a>0)的值："))
        b = int(input("請輸入橢圓曲線參數b(b>0)的值："))
        p = int(input("請輸入橢圓曲線參數p(p爲素數)的值："))   #用作模運算

        # 條件滿足判斷
        if (4*(a**3)+27*(b**2))%p == 0:
            print("您輸入的參數有誤，請重新輸入！！！\n")
        else:
            break

    # 輸出橢圓曲線散點圖
    get_graph(a, b, p)

    # 選點作爲G點
    print("user1：在如上座標系中選一個值爲G的座標")
    G_x = int(input("user1：請輸入選取的x座標值："))
    G_y = int(input("user1：請輸入選取的y座標值："))

    # 獲取橢圓曲線的階
    n = get_rank(G_x, G_y, a, b, p)

    # user1生成私鑰，小key
    key = int(input("user1：請輸入私鑰小key（<{}）：".format(n)))

    # user1生成公鑰，大KEY
    KEY_x,kEY_y = get_ng(G_x, G_y, key, a, p)

    # user2階段
    # user2拿到user1的公鑰KEY，Ep(a,b)階n，加密需要加密的明文數據
    # 加密準備
    k = int(input("user2：請輸入一個整數k（<{}）用於求kG和kQ：".format(n)))
    k_G_x,k_G_y = get_ng(G_x, G_y, k, a, p)                         # kG
    k_Q_x,k_Q_y = get_ng(KEY_x, kEY_y, k, a, p)                     # kQ

    # 加密
    plain_text = input("user2：請輸入需要加密的字符串:")
    plain_text = plain_text.strip()
    #plain_text = int(input("user1：請輸入需要加密的密文："))
    c = []
    print("密文爲：",end="")
    for char in plain_text:
        intchar = ord(char)
        cipher_text = intchar*k_Q_x
        c.append([k_G_x, k_G_y, cipher_text])
        print("({},{}),{}".format(k_G_x, k_G_y, cipher_text),end="-")


    # user1階段
    # 拿到user2加密的數據進行解密
    # 知道 k_G_x,k_G_y，key情況下，求解k_Q_x,k_Q_y是容易的，然後plain_text = cipher_text/k_Q_x
    print("\nuser1解密得到明文：",end="")
    for charArr in c:
        decrypto_text_x,decrypto_text_y = get_ng(charArr[0], charArr[1], key, a, p)
        print(chr(charArr[2]//decrypto_text_x),end="")

if __name__ == "__main__":
    print("*************ECC橢圓曲線加密*************")
    ecc_main()

本文主要介紹了MD5，SHA-1，HMAC，DES/AES，RSA和ECC這幾種加密算法和python代碼示例。