本章目标

通过本章学习，你将能够：

• 理解常见的加密与安全编程原理
• 掌握 Python 内置与第三方加密库的使用
• 实现数据的对称加密、非对称加密与哈希
• 学习常见的认证机制与安全传输方式
• 构建安全的应用程序和数据处理流程

1. 哈希与摘要算法

哈希函数用于验证数据完整性。

import hashlib

msg = "hello world".encode()
md5_val = hashlib.md5(msg).hexdigest()
sha256_val = hashlib.sha256(msg).hexdigest()

print("MD5:", md5_val)
print("SHA256:", sha256_val)

应用场景：密码存储（需加盐）、数据校验。

2. 对称加密（AES）

使用 cryptography 库进行 AES 加密。

from cryptography.fernet import Fernet

key = Fernet.generate_key()
cipher = Fernet(key)

msg = b"secret data"
ct = cipher.encrypt(msg)
print("加密后:", ct)
print("解密后:", cipher.decrypt(ct))

应用场景：数据库字段加密、本地文件保护。

3. 非对称加密（RSA）

from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding
from cryptography.hazmat.primitives import hashes, serialization

# 生成密钥对
private_key = rsa.generate_private_key(public_exponent=65537, key_size=2048)
public_key = private_key.public_key()

# 加密
msg = b"secret"
ct = public_key.encrypt(
    msg,
    padding.OAEP(mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()), algorithm=hashes.SHA256(), label=None)
)

# 解密
dt = private_key.decrypt(
    ct,
    padding.OAEP(mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()), algorithm=hashes.SHA256(), label=None)
)
print(dt)

应用场景：密钥交换、数字签名。

4. 数字签名

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

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

# 验证签名
public_key.verify(
    signature,
    b"important data",
    padding.PSS(mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()), salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH),
    hashes.SHA256()
)

应用场景：身份认证、防篡改。

5. 安全传输（TLS/SSL）

• 使用 ssl 模块在 socket 上启用加密：

import ssl, socket

context = ssl.create_default_context()
with socket.create_connection(("example.com", 443)) as sock:
    with context.wrap_socket(sock, server_hostname="example.com") as ssock:
        print(ssock.version())

应用场景：HTTPS、加密通信。

6. 常见安全实践

• 密码存储：使用 bcrypt 哈希 + 加盐
• 输入校验：避免 SQL 注入与 XSS
• 安全随机数：secrets 模块

import secrets
print(secrets.token_hex(16))

7. 安全架构设计

• 分层：应用层 -> 加密层 -> 传输层
• 日志：敏感信息脱敏存储
• 审计：记录关键操作日志
• 工具：结合 OpenSSL、Vault 管理密钥

8. 练习题

1. 使用 hashlib 编写一个带盐的密码哈希函数。
2. 使用 cryptography 实现 AES 文件加密与解密工具。
3. 使用 RSA 实现一个简单的数字签名与验证程序。
4. 使用 ssl 构建一个简单的 HTTPS 客户端。

小结

本章介绍了 Python 中的安全与加密编程技术，包括哈希、AES、RSA、数字签名、TLS 通信与安全实践。掌握这些技术，你可以为应用程序构建更强的安全保障。