Python实现常见的几种加密算法(MD5,SHA-1,HMAC,DES/AES,RSA和ECC)

2021/06/16 10:04
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生活中我们经常会遇到一些加密算法,今天我们就聊聊这些加密算法的Python实现。部分常用的加密方法基本都有对应的Python库,基本不再需要我们用代码实现具体算法。

MD5加密

全称:MD5消息摘要算法(英语:MD5 Message-Digest Algorithm),一种被广泛使用的密码散列函数,可以产生出一个128位(16字节)的散列值(hash value),用于确保信息传输完整一致。md5加密算法是不可逆的,所以解密一般都是通过暴力穷举方法,通过网站的接口实现解密。Python代码:

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

SHA1加密

全称:安全哈希算法(Secure Hash Algorithm)主要适用于数字签名标准(Digital Signature Standard DSS)里面定义的数字签名算法(Digital Signature Algorithm DSA),SHA1比MD5的安全性更强。对于长度小于2^ 64位的消息,SHA1会产生一个160位的消息摘要。Python代码:

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

HMAC加密

全称:散列消息鉴别码(Hash Message Authentication Code), HMAC加密算法是一种安全的基于加密hash函数和共享密钥的消息认证协议。实现原理是用公开函数和密钥产生一个固定长度的值作为认证标识,用这个标识鉴别消息的完整性。使用一个密钥生成一个固定大小的小数据块,即 MAC,并将其加入到消息中,然后传输。接收方利用与发送方共享的密钥进行鉴别认证等。Python代码:

import hmac 
import hashlib 
# 第一个参数是密钥key,第二个参数是待加密的字符串,第三个参数是hash函数 
mac = hmac.new('key','hello',hashlib.md5) 
mac.digest() # 字符串的ascii格式 
mac.hexdigest() # 加密后字符串的十六进制格式 

DES加密

全称:数据加密标准(Data Encryption Standard),属于对称加密算法。DES是一个分组加密算法,典型的DES以64位为分组对数据加密,加密和解密用的是同一个算法。它的密钥长度是56位(因为每个第8 位都用作奇偶校验),密钥可以是任意的56位的数,而且可以任意时候改变。Python代码:

import binascii 
from pyDes import des, CBC, PAD_PKCS5 
# 需要安装 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

全称:高级加密标准(英语:Advanced Encryption Standard),在密码学中又称Rijndael加密法,是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES,已经被多方分析且广为全世界所使用。Python代码:

import base64 
from Crypto.Cipher import AES 
 
''' 
AES对称加密算法 
''' 
# 需要补位,str不是16的倍数那就补足为16的倍数 
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)) # 先进行aes加密 
 encrypted_text = str(base64.encodebytes(encrypt_aes), encoding='utf-8') # 执行加密并转码返回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')) # 优先逆向解密base64成bytes 
 decrypted_text = str(aes.decrypt(base64_decrypted), encoding='utf-8').replace('\0', '') # 执行解密密并转码返回str 
 return decrypted_text 

RSA加密

全称:Rivest-Shamir-Adleman,RSA加密算法是一种非对称加密算法。在公开密钥加密和电子商业中RSA被广泛使用。它被普遍认为是目前比较优秀的公钥方案之一。RSA是第一个能同时用于加密和数字签名的算法,它能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击。Python代码:

# -*- coding: UTF-8 -*- 
# reference codes: https://www.jianshu.com/p/7a4645691c68 
 
import base64 
import rsa 
from rsa import common 
 
# 使用 rsa库进行RSA签名和加解密 
class RsaUtil(object): 
 PUBLIC_KEY_PATH = 'xxxxpublic_key.pem' # 公钥 
 PRIVATE_KEY_PATH = 'xxxxxprivate_key.pem' # 私钥 
 
 # 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): 
  """加密内容过长时 需要分段加密 换算每一段的长度. 
   :param rsa_key: 钥匙. 
   :param encrypt: 是否是加密. 
  """ 
  blocksize = common.byte_size(rsa_key.n) 
  reserve_size = 11 # 预留位为11 
  if not encrypt: # 解密时不需要考虑预留位 
   reserve_size = 0 
  maxlength = blocksize - reserve_size 
  return maxlength 
 
 # 加密 支付方公钥 
 def encrypt_by_public_key(self, message): 
  """使用公钥加密. 
   :param message: 需要加密的内容. 
   加密之后需要对接过进行base64转码 
  """ 
  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): 
  """使用私钥解密. 
   :param message: 需要加密的内容. 
   解密之后的内容直接是字符串,不需要在进行转义 
  """ 
  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 
 
 # 签名 商户私钥 base64转码 
 def sign_by_private_key(self, data): 
  """私钥签名. 
   :param data: 需要签名的内容. 
   使用SHA-1 方法进行签名(也可以使用MD5) 
   签名之后,需要转义后输出 
  """ 
  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): 
  """公钥验签. 
   :param message: 验签的内容. 
   :param signature: 对验签内容签名的值(签名之后,会进行b64encode转码,所以验签前也需转码). 
  """ 
  signature = base64.b64decode(signature) 
  return rsa.verify(message, signature, self.company_public_key) 

ECC加密

全称:椭圆曲线加密(Elliptic Curve Cryptography),ECC加密算法是一种公钥加密技术,以椭圆曲线理论为基础。利用有限域上椭圆曲线的点构成的Abel群离散对数难解性,实现加密、解密和数字签名。将椭圆曲线中的加法运算与离散对数中的模乘运算相对应,就可以建立基于椭圆曲线的对应密码体制。Python代码:

# -*- coding:utf-8 *- 
# author: DYBOY 
# reference codes: https://blog.dyboy.cn/websecurity/121.html 
# description: ECC椭圆曲线加密算法实现 
""" 
 考虑K=kG ,其中K、G为椭圆曲线Ep(a,b)上的点,n为G的阶(nG=O∞ ),k为小于n的整数。 
 则给定k和G,根据加法法则,计算K很容易但反过来,给定K和G,求k就非常困难。 
 因为实际使用中的ECC原则上把p取得相当大,n也相当大,要把n个解点逐一算出来列成上表是不可能的。 
 这就是椭圆曲线加密算法的数学依据 
 点G称为基点(base point) 
 k(k<n)为私有密钥(privte key) 
 K为公开密钥(public key) 
""" 
 
def get_inverse(mu, p): 
 """ 
 获取y的负元 
 """ 
 for i in range(1, p): 
  if (i*mu)%p == 1: 
   return i 
 return -1 
 
def get_gcd(zi, mu): 
 """ 
 获取最大公约数 
 """ 
 if mu: 
  return get_gcd(mu, zi%mu) 
 else: 
  return zi 
 
def get_np(x1, y1, x2, y2, a, p): 
 """ 
 获取n*p,每次+p,直到求解阶数np=-p 
 """ 
 flag = 1 # 定义符号位(+/-) 
 
 # 如果 p=q k=(3x2+a)/2y1mod p 
 if x1 == x2 and y1 == y2: 
  zi = 3 * (x1 ** 2) + a # 计算分子  【求导】 
  mu = 2 * y1 # 计算分母 
 
 # 若P≠Q,则k=(y2-y1)/(x2-x1) mod p 
 else: 
  zi = y2 - y1 
  mu = x2 - x1 
  if zi* mu < 0: 
   flag = 0  # 符号0为-(负数) 
   zi = abs(zi) 
   mu = abs(mu) 
 
 # 将分子和分母化为最简 
 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)的负元是 (x,-y mod p)= (x,p-y) ,有P+(-P)= O∞ 
 inverse_value = get_inverse(mu, p) 
 k = (zi * inverse_value) 
 
 if flag == 0:     # 斜率负数 flag==0 
  k = -k 
 k = k % p 
 # 计算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): 
 """ 
 获取椭圆曲线的阶 
 """ 
 x1 = x0    #-p的x坐标 
 y1 = (-1*y0)%p  #-p的y坐标 
 tempX = x0 
 tempY = y0 
 n = 1 
 while True: 
  n += 1 
  # 求p+q的和,得到n*p,直到求出阶 
  p_x,p_y = get_np(tempX, tempY, x0, y0, a, p) 
  # 如果 == -p,那么阶数+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): 
 """ 
 计算p与-p 
 """ 
 y0 = -1 
 for i in range(p): 
  # 满足取模约束条件,椭圆曲线Ep(a,b),p为质数,x,y∈[0,p-1] 
  if i**2%p == (x0**3 + a*x0 + b)%p: 
   y0 = i 
   break 
 
 # 如果y0没有,返回false 
 if y0 == -1: 
  return False 
 
 # 计算-y(负数取模) 
 x1 = x0 
 y1 = (-1*y0) % p 
 return x0,y0,x1,y1 
 
def get_graph(a, b, p): 
 """ 
 输出椭圆曲线散点图 
 """ 
 x_y = [] 
 # 初始化二维数组 
 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) # 椭圆曲线上的点 
  if(val != False): 
   x0,y0,x1,y1 = val 
   x_y[x0][y0] = 1 
   x_y[x1][y1] = 1 
 
 print("椭圆曲线的散列图为:") 
 for i in range(p):    # i= 0-> p-1 
  temp = p-1-i  # 倒序 
 
  # 格式化输出1/2位数,y坐标轴 
  if temp >= 10: 
   print(temp, end=" ") 
  else: 
   print(temp, end=" ") 
 
  # 输出具体坐标的值,一行 
  for j in range(p): 
   print(x_y[j][temp], end=" ") 
  print("") #换行 
 
 # 输出 x 坐标轴 
 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): 
 """ 
 计算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("请输入椭圆曲线参数a(a>0)的值:")) 
  b = int(input("请输入椭圆曲线参数b(b>0)的值:")) 
  p = int(input("请输入椭圆曲线参数p(p为素数)的值:")) #用作模运算 
 
  # 条件满足判断 
  if (4*(a**3)+27*(b**2))%p == 0: 
   print("您输入的参数有误,请重新输入!!!\n") 
  else: 
   break 
 
 # 输出椭圆曲线散点图 
 get_graph(a, b, p) 
 
 # 选点作为G点 
 print("user1:在如上坐标系中选一个值为G的坐标") 
 G_x = int(input("user1:请输入选取的x坐标值:")) 
 G_y = int(input("user1:请输入选取的y坐标值:")) 
 
 # 获取椭圆曲线的阶 
 n = get_rank(G_x, G_y, a, b, p) 
 
 # user1生成私钥,小key 
 key = int(input("user1:请输入私钥小key(<{}):".format(n))) 
 
 # user1生成公钥,大KEY 
 KEY_x,kEY_y = get_ng(G_x, G_y, key, a, p) 
 
 # user2阶段 
 # user2拿到user1的公钥KEY,Ep(a,b)阶n,加密需要加密的明文数据 
 # 加密准备 
 k = int(input("user2:请输入一个整数k(<{})用于求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:请输入需要加密的字符串:") 
 plain_text = plain_text.strip() 
 #plain_text = int(input("user1:请输入需要加密的密文:")) 
 c = [] 
 print("密文为:",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阶段 
 # 拿到user2加密的数据进行解密 
 # 知道 k_G_x,k_G_y,key情况下,求解k_Q_x,k_Q_y是容易的,然后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椭圆曲线加密*************") 
 ecc_main() 

 

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