20 行 Python 程式碼實現加密通訊

大雄45 發表於 2022-11-24
Python
導讀 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。
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。

  1. Alice Bob是通訊雙方
  2. Eve是一個竊聽者
  3. 傳遞的訊息是PlainText
  4. 加密使用的秘鑰key
  5. 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秘鑰。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)
  1. 第一行 匯入了AES演算法。AES 是對稱加密的一種演算法
  2. 第二行 新建加密器,key 是秘鑰, AES.MODE_ECB 是資訊填充模式
  3. 第三行 完成 encrypt 加密
  4. 第四行 加密後後的資訊由 b64encode 編碼後,傳送給 Bob。

HTTP 是文字協議,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,兩個人用同一個秘鑰來加密、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:雜湊函式

像人都有指紋一樣,傳遞的訊息也有自己的指紋。雜湊函式用來找到訊息的指紋。雜湊函式也稱為訊息摘要函式,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:

  1. 不論輸入多長,輸出長度固定,輸出看起來像亂碼。
  2. 輸入變一點,輸出有很大不同。
  3. 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:對稱加密如果秘鑰遺失了,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:

  1. 公鑰加密,私鑰解密。
  2. 私鑰加密,公鑰解密。
  3. 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算法。首先 Bob 產生秘鑰,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

  1. Bob_prikey 是 Bob 的私鑰,自己存放。
  2. Bob_pubkey 是 Bob 的公鑰,交給 Bob。

Alice 傳送資訊給 Bob 時

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

Bob 接收到訊息後

  1. 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 用自己的私鑰揭秘。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,這是數字簽名技術的基礎。

六、真言:數字簽名

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,稱為數字簽名。
驗證步驟如下:

  1. Alice 準備傳送資訊 PlainText
  2. 首先計算其 MD5 雜湊值 Hash_a
  3. 再對雜湊值進行私鑰加密(數字簽名)
  4. 傳送 Alice 的公鑰,數字簽名,訊息給 Bob
  5. Bob 收到資訊後
  6. 使用 Alice 的公鑰解密數字簽名,產生一個待驗證雜湊值 Hash_a
  7. 然後計算訊息雜湊值 Hash_b
  8. 如果Hasha == Hashb,說明傳送者必然是持有私鑰的 Alice ,且訊息未修改
  9. 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。雜湊函式,是可以提取訊息數字指紋的工具,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,而數字簽名使得對方無法偽裝或抵賴。

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