Cryptography中的對稱密鑰加解密：fernet算法探究

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cryptography是python語言中非常著名的加解密庫，在算法層面提供了高層次的抽象，使用起來非常簡單、直觀，pythonic，同時還保留了各種不同算法的低級別接口，保留靈活性。

我們知道加密一般分為對稱加密(Symmetric Key Encryption)和非對稱加密(Asymmetric Key Encryption)。，各自對應多種不同的算法，每種算法又有不同的密鑰位長要求，另外還涉及到不同的分組加密模式，以及末尾補齊方式。因此需要高層次的抽象，把這些參數封裝起來，讓我們使用時，不用關心這么多參數，只要知道這么用足夠安全就夠了。

 

對稱加密又分為分組加密和序列加密，本文只討論對稱分組加密。

 

主流對稱分組加密算法：DES、3DES、AES

主流對稱分組加密模式：ECB、CBC、CFB、OFB

主流填充標准：PKCS7、ISO 10126、ANSI X.923、Zero padding

 

 

在cryptography庫中，對稱加密算法的抽象是fernet模塊，包括了對數據的加解密以及簽名驗證功能，以及密鑰過期機制。

該模塊采用如下定義：

• 加解密算法為AES，密鑰位長128，CBC模式，填充標准PKCS7
• 簽名算法為SHA256的HMAC，密鑰位長128位
• 密鑰可以設置過期時間

 

使用fernet加解密的例子如下：

>>> import os
>>> from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
>>> from cryptography.hazmat.backends import default_backend
>>> backend = default_backend()
>>> key = os.urandom(32)
>>> iv = os.urandom(16)
>>> cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=backend)
>>> encryptor = cipher.encryptor()
>>> ct = encryptor.update(b"a secret message") + encryptor.finalize()
>>> decryptor = cipher.decryptor()
>>> decryptor.update(ct) + decryptor.finalize()
'a secret message'

 

 

 

可見加密時除了指定算法和模式，以及生成隨機的key之外，CBC模式還需要生成一個隨機的初始向量iv；解密時也要提供iv。

 

cryptography庫的fernet模塊封裝了對稱加密的操作，提供了三個基本操作：

產生對稱密鑰：   generate_key

用對稱密鑰加密：encrypt

用對稱密鑰解密：decrypt

 

 

generate_key：可見只是產生了一個32位隨機數，並用base64編碼

　　@classmethod
    def generate_key(cls):
        return base64.urlsafe_b64encode(os.urandom(32))

 

生成32位密鑰后，前16位用來計算hmac，后16位用來加解密

　　self._signing_key = key[:16]
        self._encryption_key = key[16:]
        self._backend = backend

 

encrypt：

1. 獲取current_time，並隨機生成16位的CBC初始向量iv

2. 指定padding方式為PKCS7

3. 把要加密的原始data用padding方式補齊

4. 指定用AES算法CBC模式加密

5. 加密得到ciphertext

6. 把current_time、iv、ciphertext三者合並得到一個basic_parts

　　basic_parts = (
            b"\x80" + struct.pack(">Q", current_time) + iv + ciphertext
        )

 

7. 計算basic_parts的hmac值

8. 把basic_parts + hmac 做base64計算后返回，這就是我們最終得到的加密數據，里面包含了時間戳、iv、密文、hmac

　　def encrypt(self, data):
        current_time = int(time.time())
        iv = os.urandom(16)
        return self._encrypt_from_parts(data, current_time, iv)

    def _encrypt_from_parts(self, data, current_time, iv):
        if not isinstance(data, bytes):
            raise TypeError("data must be bytes.")

        padder = padding.PKCS7(algorithms.AES.block_size).padder()
        padded_data = padder.update(data) + padder.finalize()
        encryptor = Cipher(
            algorithms.AES(self._encryption_key), modes.CBC(iv), self._backend
        ).encryptor()
        ciphertext = encryptor.update(padded_data) + encryptor.finalize()

        basic_parts = (
            b"\x80" + struct.pack(">Q", current_time) + iv + ciphertext
        )

        h = HMAC(self._signing_key, hashes.SHA256(), backend=self._backend)
        h.update(basic_parts)
        hmac = h.finalize()
        return base64.urlsafe_b64encode(basic_parts + hmac)

 

decrypt：

完全於encrypt相反的操作

1. 得到current_time

2. base64解碼token，得到包含時間戳、iv、密文、hmac的data

3. 根據時間戳和ttl，判斷密鑰是否已經失效

4. 計算hmac，並於之前的hmac進行驗證，判斷密鑰有效性

5. 獲取iv，和密文，並通過密鑰解密，得到經過pad的明文

6. 通過PKCS7進行unpaid操作，得到去掉補齊的明文

7. 返回最終結果

 

　　def decrypt(self, token, ttl=None):
        if not isinstance(token, bytes):
            raise TypeError("token must be bytes.")

        current_time = int(time.time())

        try:
            data = base64.urlsafe_b64decode(token)
        except (TypeError, binascii.Error):
            raise InvalidToken

        if not data or six.indexbytes(data, 0) != 0x80:
            raise InvalidToken

        try:
            timestamp, = struct.unpack(">Q", data[1:9])
        except struct.error:
            raise InvalidToken
        if ttl is not None:
            if timestamp + ttl < current_time:
                raise InvalidToken
        if current_time + _MAX_CLOCK_SKEW < timestamp:
            raise InvalidToken
        h = HMAC(self._signing_key, hashes.SHA256(), backend=self._backend)
        h.update(data[:-32])
        try:
            h.verify(data[-32:])
        except InvalidSignature:
            raise InvalidToken

        iv = data[9:25]
        ciphertext = data[25:-32]
        decryptor = Cipher(
            algorithms.AES(self._encryption_key), modes.CBC(iv), self._backend
        ).decryptor()
        plaintext_padded = decryptor.update(ciphertext)
        try:
            plaintext_padded += decryptor.finalize()
        except ValueError:
            raise InvalidToken
        unpadder = padding.PKCS7(algorithms.AES.block_size).unpadder()

        unpadded = unpadder.update(plaintext_padded)
        try:
            unpadded += unpadder.finalize()
        except ValueError:
            raise InvalidToken
        return unpadded