Python工具箱系列（十一）

上文讲的古典加密算法虽然很简单，但是在密码史上是使用最久的加密方式。历史上由于算力有限，加上有学识的人有限，所以直到概率论出现后，古典密码才开始破防。归根结底，英文单词中字母出现的频率是不同的，e以12.702%的百分比占比最高，z只占到0.074%，感兴趣的同学可以去百科查字母频率详细统计数据。如果密文数量足够大，仅仅采用频度分析法就可以破解。如果再加上现代计算机强大的算力，凯撒加密算法更是不堪一击。

后续人类不断改进，在二战时期涌现了新的思路与算法。恩尼格玛机就是二战时期纳粹德国使用的加密机器，非常经典，并且难以破译。英国集全国之力进行破译，参与破译的人员有被称为计算机科学之父、人工智能之父的图灵。恩尼格玛机使用的加密方式本质上还是移位和替代，只不过因为密码表种类极多，破解难度高，同时加密解密机器化，使用便捷。恩尼格玛机共有26个字母键和26个带有字母的小灯泡，当按下键盘上的键时，加密后的密文字母所对应的小灯泡就会亮起来，依次记录密文发送给接收者就实现了密文传输。接收者也用相同的恩尼格玛机，依次输入密文并获取原文。密码机内装有“转子”装置，每按下键盘上的一个字母，“转子”就会自动地转动一个位置，相当于更换了一套密码表。最开始“转子”只有6格，相当于有6套密码表，后来升级到了26格，即有26套密码表。后来恩尼格玛机由一个“转子”升级到了多个“转子”，是密码表套数成指数级增长。最高水准恩尼格玛机具有8个“转子”，密码表套数为26的8次方，达到了2000多亿种。此时靠人工进行破译就不太可能了，国内某抗日神剧中一个数学美女天才，靠几张纸就破译了真的只能是呵呵了。电影《模仿游戏》较为真实得复现了破解方法，就是采用了类似现代计算机的机械机器进行快速运算。

现代经典密码学针对加解密问题，发展出几个大的方向：

• 对称加密
• 非对称加密
• 散列

本文将简单介绍对称加密的python实现。先谈主要的对称加密算法，主要有以下几类：

• DES（数据加密标准，Data Encryption Standard）。DES 应该是最早的现代密码学算法之一。它由美国政府提出，密钥长度为56位。目前，它暴力破解56位密码的时间，已经能控制在24小时内了。DES实际上是一个过时的密码学算法，目前已经不推荐使用了。关于DES，还有一点特别有意思。DES 包含一个关键模块：S盒，其设计的原理一直没有公开。因此，很多人都相信，这个S盒中存在后门，只要美国政府需要，就能够解密任何DES密文。
• IDEA（国际数据加密算法，International Data Encryption Algorithm）。IDEA 由瑞士研究人员设计，密钥长度为128位。对比于其他的密码学算法，IDEA的优势在于没有专利的限制。相比于DES和AES的使用受到美国政府的控制，IDEA的设计人员并没有对其设置太多的限制，这让 IDEA在全世界范围内得到了广泛的使用和研究。
• AES（高级加密标准，Advanced Encryption Standard）。在DES被破解后，美国政府推出了AES算法，提供了128位、192位和256位三种密钥长度。通常情况下，我们会使用128位的密钥，来获得足够的加密强度，同时保证性能不受影响。目前，AES是国际上最认可的密码学算法。在算力没有突破性进展的前提下，AES在可预期的未来都是安全的。
• 国密标准或者自研加密算法。

对称密钥能够广泛用于：

• 数据文件与数据库内容的加密。
• 网络传输的信息加密。
• 硬件/内核/驱动级加密，例如基于文件系统的加密等。

# pip install cryptography

from cryptography.fernet import Fernet

# 生成对称密钥
key = Fernet.generate_key()
print(key)

# 用密钥加密
coder = Fernet(key)
crymsg = coder.encrypt(b'what are you doing?')
print(crymsg)

# 用密钥解密
plaintext = coder.decrypt(crymsg)
print(plaintext)

代码运行后，能够看到加密后的密文比原文要长。实际运行时，密钥一定要保存好，丢失了密文就基本解不出来了。当然暴力破解还是可以的，只不过代价巨大。