密码学教程

简介

密码学是一门研究保证信息安全的学科，它主要涵盖加密、解密、认证以及密钥管理等领域。在今天这个信息爆炸的时代，信息安全问题变得 particularly important，因为我们依赖于计算机的大量信息传输和数据存储，这些信息很容易被黑客攻击窃取或篡改。

现代密码学

现代密码学被划分成对称密钥加密和公钥加密两大类。在对称密钥加密中，同一个密钥被用于加密和解密信息。而在公钥加密中，有两个不同的密钥，用于加密和解密信息。

对称密钥加密

在对称密钥加密中，最流行的算法之一是 "高级加密标准" （AES）。AES 是一个分组密码，数据被分块并且每个块都经过多轮替换和排列。AES 加密是双向的，意味着同样的密钥可以加密和解密信息。

以下是 Python 中使用 PyCryptodome 加密和解密的步骤：

from Crypto.Cipher import AES
import binascii

key = b'Sixteen byte key'
plaintext = b'Hey there, I am a secret message'
cipher = AES.new(key, AES.MODE_EAX)
ciphertext, tag = cipher.encrypt_and_digest(plaintext)

print(f"Ciphertext: {binascii.hexlify(ciphertext)}")
print(f"Tag: {tag}")

decipher = AES.new(key, AES.MODE_EAX, cipher.nonce)
decrypted_text = decipher.decrypt(ciphertext)

print(f"Decrypted text: {decrypted_text}")

公钥加密

公钥加密也被称为非对称密钥加密。在这种加密方法中，有两个不同的密钥用于加密和解密信息。这两个密钥包括一个公开密钥和一个私有密钥。

一个常用的公钥加密算法是 RSA。RSA 使用两个较大的质数来生成公开密钥和私有密钥。RSA 公钥加密是单向的，这意味着公钥只用于加密，私有密钥用于解密。

以下是 Python 中使用 PyCryptodome 生成公开密钥和私有密钥，以及使用公开密钥加密和私有密钥解密的步骤：

from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Cipher import PKCS1_OAEP

key = RSA.generate(2048)

private_key = key.export_key()
with open("private.pem", "wb") as f:
    f.write(private_key)

public_key = key.publickey().export_key()
with open("public.pem", "wb") as f:
    f.write(public_key)

message = b'Hello, World!'
cipher = PKCS1_OAEP.new(key.publickey())
ciphertext = cipher.encrypt(message)

print(f"Ciphertext: {binascii.hexlify(ciphertext)}")

decipher = PKCS1_OAEP.new(key)
decrypted_text = decipher.decrypt(ciphertext)
print(f"Decrypted text: {decrypted_text}")

消息摘要

除了加密和解密，密码学中还涉及到消息摘要。消息摘要是一种提取消息固定长度摘要的过程，以确保消息没有被篡改。常见的消息摘要算法包括 SHA256、SHA512 和 MD5。

以下是 Python 中使用 hashlib 进行 SHA256 摘要的步骤：

import hashlib

message = b'This is an important message!'
hash_object = hashlib.sha256(message)
hex_dig = hash_object.hexdigest()

print(f"SHA256 Hash: {hex_dig}")

总结

密码学是确保信息安全的关键工具之一。现代密码学包括对称密钥加密和公钥加密两个主要部分。除了加密和解密，密码学还涉及到消息摘要和密钥管理等领域。在 Python 中，我们可以使用 PyCryptodome 和 hashlib 等库来实现密码学功能。