Python编程密码学文件加密与解密代码解析

介绍

在网络上传输敏感信息时，我们往往需要对数据进行加密保护。本文将介绍如何使用Python编写密码学文件加密和解密的代码。

密码学基础

在进行加密和解密操作时，我们常常需要使用一些基础的密码学知识。本节将简单介绍一下这些知识。

对称加密

对称加密是指同一个密钥既用于加密明文，又用于解密密文的加密方式。常见的对称加密算法包括AES、DES等。

非对称加密

非对称加密是指使用一对密钥，其中一个用于加密明文，另一个用于解密密文的加密方式。常见的非对称加密算法包括RSA、ElGamal等。

数字签名

数字签名是指使用私钥对数据签名，然后使用公钥进行验证的过程。数字签名可以用来验证消息来源是否合法，以及消息是否被篡改过。

文件加密

我们可以使用Python的cryptography库来进行文件加密和解密操作。该库提供了高级加密标准(AES)等常见的对称加密算法。具体步骤如下：

1. 生成密钥

from cryptography.fernet import Fernet
key = Fernet.generate_key()

1. 使用密钥加密文件

from cryptography.fernet import Fernet

with open('file.txt', 'rb') as f:
    data = f.read()

key = b'...'
f = Fernet(key)
encrypted_data = f.encrypt(data)

with open('file.txt.encrypted', 'wb') as f:
    f.write(encrypted_data)

1. 使用密钥解密文件

from cryptography.fernet import Fernet

with open('file.txt.encrypted', 'rb') as f:
    encrypted_data = f.read()

key = b'...'
f = Fernet(key)
decrypted_data = f.decrypt(encrypted_data)

with open('file.txt', 'wb') as f:
    f.write(decrypted_data)

数字签名

我们可以使用Python的cryptography库来进行数字签名和验证操作。该库提供了RSA等常见的非对称加密算法。具体步骤如下：

1. 生成公私钥对

from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding
from cryptography.hazmat.primitives import serialization
from cryptography.hazmat.backends import default_backend

private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048,
    backend=default_backend()
)
public_key = private_key.public_key()

private_key_bytes = private_key.private_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,
    encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()
)
public_key_bytes = public_key.public_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
)

with open('private_key.pem', 'wb') as f:
    f.write(private_key_bytes)
with open('public_key.pem', 'wb') as f:
    f.write(public_key_bytes)

1. 对数据进行签名

from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding
from cryptography.hazmat.primitives.serialization import load_pem_private_key

with open('private_key.pem', 'rb') as f:
    private_key_bytes = f.read()

private_key = load_pem_private_key(
    private_key_bytes,
    password=None,
    backend=default_backend()
)

data = b'...'
signature = private_key.sign(
    data,
    padding.PSS(
        mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
        salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
    ),
    hashes.SHA256()
)

with open('signature', 'wb') as f:
    f.write(signature)

1. 验证签名

from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding
from cryptography.hazmat.primitives.serialization import load_pem_public_key

with open('public_key.pem', 'rb') as f:
    public_key_bytes = f.read()

public_key = load_pem_public_key(
    public_key_bytes,
    backend=default_backend()
)

with open('file.txt', 'rb') as f:
    data = f.read()

with open('signature', 'rb') as f:
    signature = f.read()

try:
    public_key.verify(
        signature,
        data,
        padding.PSS(
            mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
            salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
        ),
        hashes.SHA256()
    )
    print('Signature is valid')
except:
    print('Signature is invalid')

示例

文件加密示例

我们有一个名为file.txt的文件，现在需要对其进行加密。

首先，我们需要生成密钥：

from cryptography.fernet import Fernet
key = Fernet.generate_key()

接着，我们需要使用密钥对文件进行加密：

with open('file.txt', 'rb') as f:
    data = f.read()

f = Fernet(key)
encrypted_data = f.encrypt(data)

with open('file.txt.encrypted', 'wb') as f:
    f.write(encrypted_data)

最后，如果需要解密文件，可以使用以下代码：

with open('file.txt.encrypted', 'rb') as f:
    encrypted_data = f.read()

f = Fernet(key)
decrypted_data = f.decrypt(encrypted_data)

with open('file.txt', 'wb') as f:
    f.write(decrypted_data)

数字签名示例

我们有一个文件file.txt，现在需要对其进行签名，并保存签名结果到signature文件中。

首先，我们需要生成公私钥对：

from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding
from cryptography.hazmat.primitives import serialization
from cryptography.hazmat.backends import default_backend

private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048,
    backend=default_backend()
)
public_key = private_key.public_key()

private_key_bytes = private_key.private_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,
    encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()
)
public_key_bytes = public_key.public_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
)

with open('private_key.pem', 'wb') as f:
    f.write(private_key_bytes)
with open('public_key.pem', 'wb') as f:
    f.write(public_key_bytes)

接着，我们可以对文件进行签名：

from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding
from cryptography.hazmat.primitives.serialization import load_pem_private_key

with open('private_key.pem', 'rb') as f:
    private_key_bytes = f.read()

private_key = load_pem_private_key(
    private_key_bytes,
    password=None,
    backend=default_backend()
)

with open('file.txt', 'rb') as f:
    data = f.read()

signature = private_key.sign(
    data,
    padding.PSS(
        mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
        salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
    ),
    hashes.SHA256()
)

with open('signature', 'wb') as f:
    f.write(signature)

最后，我们可以验证签名：

from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding
from cryptography.hazmat.primitives.serialization import load_pem_public_key

with open('public_key.pem', 'rb') as f:
    public_key_bytes = f.read()

public_key = load_pem_public_key(
    public_key_bytes,
    backend=default_backend()
)

with open('file.txt', 'rb') as f:
    data = f.read()

with open('signature', 'rb') as f:
    signature = f.read()

try:
    public_key.verify(
        signature,
        data,
        padding.PSS(
            mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
            salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
        ),
        hashes.SHA256()
    )
    print('Signature is valid')
except:
    print('Signature is invalid')

以上就是文件加密和数字签名的完整代码。