开发中常见的加密方式及应用

Posted 2023-02-26

参考技术A 开发中常见的加密方式及应用

一、base64

简述：Base64是网络上最常见的用于传输8Bit 字节码 的编码方式之一，Base64就是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的方法。所有的数据都能被编码为并只用65个字符就能表示的文本文件。( 65字符：A~Z a~z 0~9 + / = )编码后的数据~=编码前数据的4/3，会大1/3左右（图片转化为base64格式会比原图大一些）。

应用：Base64编码是从二进制到字符的过程，可用于在 HTTP 环境下传递较长的标识信息。例如，在Java Persistence系统Hibernate中，就采用了Base64来将一个较长的唯一 标识符 （一般为128-bit的UUID）编码为一个字符串，用作HTTP 表单 和HTTP GET URL中的参数。在其他应用程序中，也常常需要把二进制 数据编码 为适合放在URL（包括隐藏 表单域 ）中的形式。此时，采用Base64编码具有不可读性，需要解码后才能阅读。

命令行进行Base64编码和解码

编码：base64 123.png -o 123.txt

解码：base64 123.txt -o test.png -D Base64编码的原理

原理：

1)将所有字符转化为ASCII码;

2)将ASCII码转化为8位二进制;

3)将二进制3个归成一组(不足3个在后边补0)共24位，再拆分成4组，每组6位;

4)统一在6位二进制前补两个0凑足8位;

5)将补0后的二进制转为十进制;

6)从Base64编码表获取十进制对应的Base64编码;

Base64编码的说明：

a.转换的时候，将三个byte的数据，先后放入一个24bit的缓冲区中，先来的byte占高位。

b.数据不足3byte的话，于缓冲区中剩下的bit用0补足。然后，每次取出6个bit，按照其值选择查表选择对应的字符作为编码后的输出。

c.不断进行，直到全部输入数据转换完成。

d.如果最后剩下两个输入数据，在编码结果后加1个“=”;

e.如果最后剩下一个输入数据，编码结果后加2个“=”;

f.如果没有剩下任何数据，就什么都不要加，这样才可以保证资料还原的正确性。

二、HASH加密/单向散列函数

简述：Hash算法特别的地方在于它是一种单向算法，用户可以通过Hash算法对目标信息生成一段特定长度（32个字符）的唯一的Hash值，却不能通过这个Hash值重新获得目标信息。对用相同数据，加密之后的密文相同。 常见的Hash算法有MD5和SHA。由于加密结果固定，所以基本上原始的哈希加密已经不再安全，于是衍生出了加盐的方式。加盐：先对原始数据拼接固定的字符串再进行MD5加密。

特点：

1) 加密 后密文的长度是定长(32个字符的密文)的

2)如果明文不一样，那么散列后的结果一定不一样

3)如果明文一样，那么加密后的密文一定一样(对相同数据加密，加密后的密文一样)

4)所有的加密算法是公开的

5)不可以逆推反算(不能根据密文推算出明文)，但是可以暴力 破解 ，碰撞监测

原理：MD5消息摘要算法，属Hash算法一类。MD5算法对输入任意长度的消息进行运行，产生一个128位的消息摘要。

1)数据填充

对消息进行数据填充，使消息的长度对512取模得448，设消息长度为X，即满足X mod 512=448。根据此公式得出需要填充的数据长度。

填充方法：在消息后面进行填充，填充第一位为1，其余为0。

2)添加信息长度

在第一步结果之后再填充上原消息的长度，可用来进行的存储长度为64位。如果消息长度大于264，则只使用其低64位的值，即（消息长度 对264取模）。

在此步骤进行完毕后，最终消息长度就是512的整数倍。

3)数据处理

准备需要用到的数据：

4个常数：A = 0x67452301, B = 0x0EFCDAB89, C = 0x98BADCFE, D = 0x10325476;

4个函数：F(X,Y,Z)=(X & Y) | ((~X) & Z);G(X,Y,Z)=(X & Z) | (Y & (~Z));H(X,Y,Z)=X ^ Y ^ Z;I(X,Y,Z)=Y ^ (X | (~Z));

把消息分以512位为一分组进行处理，每一个分组进行4轮变换，以上面所说4个常数为起始变量进行计算，重新输出4个变量，以这4个变量再进行下一分组的运算，如果已经是最后一个分组，则这4个变量为最后的结果，即MD5值。

三、对称加密

经典算法：

1)DES数据加密标准

DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。其中Key为8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；Data也为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；Mode为DES的工作方式，有两种：加密或解密。

DES算法是这样工作的：如Mode为加密，则用Key去把数据Data进行加密， 生成Data的密码形式（64位）作为DES的输出结果；如Mode为解密，则用Key去把密码形式的数据Data解密，还原为Data的明码形式（64位）作为DES的输出结果。在通信网络的两端，双方约定一致的Key，在通信的源点用Key对核心数据进行DES加密，然后以密码形式在公共通信网（如电话网）中传输到通信网络的终点，数据到达目的地后，用同样的Key对密码数据进行解密，便再现了明码形式的核心数据。这样，便保证了核心数据（如PIN、MAC等）在公共通信网中传输的安全性和可靠性。

2)3DES使用3个密钥，对消息进行(密钥1·加密)+(密钥2·解密)+(密钥3·加密)

3)AES高级加密标准

如图，加密/解密使用相同的密码，并且是可逆的

四、非对称加密

特点：

1)使用公钥加密，使用私钥解密

2)公钥是公开的，私钥保密

3)加密处理安全，但是性能极差

经典算法RSA:

1)RSA原理

(1)求N，准备两个质数p和q,N = p x q

(2)求L,L是p-1和q-1的最小公倍数。L = lcm(p-1,q-1)

(3)求E，E和L的最大公约数为1(E和L互质)

(4)求D，E x D mode L = 1

五、数字签名

原理以及应用场景:

1)数字签名的应用场景

需要严格验证发送方身份信息情况

2)数字签名原理

(1)客户端处理

对"消息"进行HASH得到"消息摘要"

发送方使用自己的私钥对"消息摘要"加密(数字签名)

把数字签名附着在"报文"的末尾一起发送给接收方

(2)服务端处理

对"消息" HASH得到"报文摘要"

使用公钥对"数字签名"解密

对结果进行匹配

六、数字证书

简单说明:

证书和驾照很相似，里面记有姓名、组织、地址等个人信息，以及属于此人的公钥，并有认证机构施加数字签名,只要看到公钥证书，我们就可以知道认证机构认证该公钥的确属于此人。

数字证书的内容：

1)公钥

2)认证机构的数字签名

证书的生成步骤：

1)生成私钥openssl genrsa -out private.pem 1024

2)创建证书请求openssl req -new -key private.pem -out rsacert.csr

3)生成证书并签名，有效期10年openssl x509 -req -days 3650 -in rsacert.csr -signkey private.pem -out rsacert.crt

4)将PEM格式文件转换成DER格式openssl x509 -outform der -in rsacert.crt -out rsacert.der

5)导出P12文件openssl pkcs12 -export -out p.p12 -inkey private.pem -in rsacert.crt

ios开发中的注意点：

1)在iOS开发中，不能直接使用PEM格式的证书，因为其内部进行了Base64编码，应该使用的是DER的证书，是二进制格式的；

2)OpenSSL默认生成的都是PEM格式的证书。

七、https

HTTPS和HTTP的区别：

超文本传输协议HTTP协议被用于在Web浏览器和网站服务器之间传递信息。HTTP协议以明文方式发送内容，不提供任何方式的数据加密，如果攻击者截取了Web浏览器和网站服务器之间的传输报文，就可以直接读懂其中的信息，因此HTTP协议不适合传输一些敏感信息，比如信用卡号、密码等。

为了解决HTTP协议的这一缺陷，需要使用另一种协议：安全套接字层超文本传输协议HTTPS。为了数据传输的安全，HTTPS在HTTP的基础上加入了SSL协议，SSL依靠证书来验证服务器的身份，并为浏览器和服务器之间的通信加密。

HTTPS和HTTP的区别主要为以下四点：

1)https协议需要到ca申请证书，一般免费证书很少，需要交费。

2)http是 超文本传输协议 ，信息是明文传输，https则是具有 安全性 的 ssl 加密传输协议。

3)http和https使用的是完全不同的连接方式，用的端口也不一样，前者是80，后者是443。

4)http的连接很简单，是无状态的；HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的 网络协议 ，比http协议安全。

5)SSL：Secure Sockets Layer安全套接字层;用数据加密(Encryption)技术，可确保数据在网络上传输过程中不会被截取及窃听。目前一般通用之规格为40 bit之安全标准，美国则已推出128 bit之更高安全标准，但限制出境。只要3.0版本以上之I.E.或Netscape 浏览器 即可支持SSL。目前版本为3.0。SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间，为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层：SSL记录协议(SSL Record Protocol)：它建立在可靠的传输协议(如TCP)之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。SSL握手协议(SSL Handshake Protocol)：它建立在SSL记录协议之上，用于在实际的数据传输开始前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。

常见加密方式及Python实现

由于计算机软件的非法复制，通信的泄密、数据安全受到威胁，所以加密在开发过程中是经常使用到的技术，在一些重要场景中都有所应用，如：登录、支付、oauth等，场景不同需要搭配不一样的签名加密算法来达到业务目标。

1. 加密算法的种类

加密算法分散列算法、对称加密、非对称加密。

（1）散列算法：经常需要验证消息的完整性，散列（Hash）函数提供了这一服务，它对不同长度的输入消息，产生固定长度的输出。常见的算法有MD5、SHA、HMAC等。

（2）对称加密：就是采用这种加密方法的双方使用方式用同样的密钥进行加密和解密。密钥是控制加密及解密过程的指令。算法是一组规则，规定如何进行加密和解密。常见的对称算法有AES、DES、3DES等。

（3）非对称加密：与对称加密算法不同，非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥（publickey）和私有密钥（privatekey）。公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法叫作非对称加密算法。常见的非对称算法有RSA、DSA、ECC等。

2. Python的实现

2.1 散列算法HMAC、MD5

Hmac以HmacSha1为列，需要hmac_key秘钥，加密数据一般采用base64编码格式。

import hmac
import hashlib
from hashlib import sha1
import base64

def hash_hmac(data, hmac_key):
    """
    :param data: 需要加密的数据
    :param hmac_key: hmac秘钥
    :return: 加密后的密文
    """
    # 对加密数据进行base64编码
    data = base64.b64encode(data.encode(\'utf-8\')).decode("utf-8")
    # 对编码后的数据进行hmacSha1
    hmac_code = hmac.new(hmac_key.encode(), data.encode(), sha1).hexdigest()
    # 对hmacSha1后的数据进行md5
    sign = hashlib.md5(hmac_code.encode()).hexdigest()
    return sign

if __name__ == \'__main__\':
    hash_hmac("text=智能内容审核", "潜在")

2.2 对称加密AES

（1）对于对称加密或非对称都需要安装第三方库，Python中的密码库是PyCrypto，但在2012年已停止更新，现在使用 PyCrytodome 取代 PyCrypto 。

pip install pycryptodome

（2）AES有5种加密模式，分别是ECB, CBC, CTR, CFB, OFB,下面以AES的ECB模式为例，同样AES也需要加密秘钥aes_key，需要注意的是如果加密数据不足16或32位时需要补足为它们的倍数，下面以16的倍数为例：

import json
import base64
from Crypto.Cipher import AES

def add_to_16(value):
    """
    str不是16的倍数那就补足为16的倍数
    :param value: 需要加密的参数
    :return: 补足位数的参数
    """
    while len(value) % 16 != 0:
        value += b\'\\0\'
    # 返回bytes
    return value

def encrypt_aes(data, aes_key):
    """
    aes的ecb模式加密
    :param data: 加密数据
    :param aes_key: 加密的秘钥
    :return: 加密之后的密文
    """
    # 秘钥
    key = aes_key.encode()
    # 待加密文本
    text = bytes(json.dumps(data).replace(" ", "").encode(\'utf-8\'))
    # 对加密数据进行填充
    text = add_to_16(text)
    # 初始化加密器，使用ECB模式
    aes = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
    # 先进行aes加密
    aes_code = aes.encrypt(text)
    # 用base64转成字符串形式,执行加密并转码返回bytes
    encrypted_text = base64.encodebytes(aes_code)  
    return encrypted_text

if __name__ == \'__main__\':
    data = "行者AI专注于游戏领域,多年的AI技术积淀,一站式提供文本、图片、音/视频内容审核,游戏AI以及数据平台服务"
    aes_key = "1111111111111111"
    encrypt_aes(data, aes_key)

2.3 非对称加密RSA

（1）同样需要安装 PyCrytodome 库，与3.2相同不再赘述；

（2）RSA加密需要公钥进行加密，注意的是有时需要加密的数据量较大时，需要分段进行加密，下面就以分段加密为例，此方法也适用数据较少的加密。

from Crypto.Cipher import PKCS1_v1_5
from Crypto.PublicKey import RSA
import base64

def cipher(data, rsa_key):
    """
    公钥加密
    :param msg: 要加密内容
    :return:  加密之后的密文
    """
    # 获取公钥
    key = rsa_key
    publickey = RSA.importKey(key)
    # 分段加密
    pk = PKCS1_v1_5.new(publickey)
    encrypt_text = []
    # 对数据进行分段加密
    for i in range(0, len(data), 100):
        cont = data[i:i + 100]
        encrypt_text.append(pk.encrypt(cont.encode("utf-8")))
    # 分段加密完进行拼接
    cipher_text = b\'\'.join(encrypt_text)
    # base64进行编码
    result = base64.b64encode(cipher_text)
    return result.decode()

if __name__ == \'__main__\':
    data = "行者AI专注于游戏领域,多年的AI技术积淀,一站式提供文本、图片、音/视频内容审核,游戏AI以及数据平台服务"
    # 读取存放公钥的文件获得公钥
    rsa_key = open(\'publickey.pem\').read()
    cipher(data, rsa_key)

3. 总结

本文只是简单介绍了分散列算法、对称加密、非对称加密及示例，有些已经遭到破译，有些网页游戏安全度不高，有些强度不明，有些待进一步分析，有些需要深入研究。