Cryptography中的对称密钥加解密：fernet算法探究

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cryptography是python语言中非常著名的加解密库，在算法层面提供了高层次的抽象，使用起来非常简单、直观，pythonic，同时还保留了各种不同算法的低级别接口，保留灵活性。

我们知道加密一般分为对称加密(Symmetric Key Encryption)和非对称加密(Asymmetric Key Encryption)。，各自对应多种不同的算法，每种算法又有不同的密钥位长要求，另外还涉及到不同的分组加密模式，以及末尾补齐方式。因此需要高层次的抽象，把这些参数封装起来，让我们使用时，不用关心这么多参数，只要知道这么用足够安全就够了。

对称加密又分为分组加密和序列加密，本文只讨论对称分组加密。

主流对称分组加密算法：DES、3DES、AES

主流对称分组加密模式：ECB、CBC、CFB、OFB

主流填充标准：PKCS7、ISO 10126、ANSI X.923、Zero padding

在cryptography库中，对称加密算法的抽象是fernet模块，包括了对数据的加解密以及签名验证功能，以及密钥过期机制。

该模块采用如下定义：

加解密算法为AES，密钥位长128，CBC模式，填充标准PKCS7
签名算法为SHA256的HMAC，密钥位长128位
密钥可以设置过期时间

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'

可见加密时除了指定算法和模式，以及生成随机的key之外，CBC模式还需要生成一个随机的初始向量iv；解密时也要提供iv。

cryptography库的fernet模块封装了对称加密的操作，提供了三个基本操作：

产生对称密钥： generate_key

用对称密钥加密：encrypt

用对称密钥解密：decrypt

generate_key：可见只是产生了一个32位随机数，并用base64编码

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

生成32位密钥后，前16位用来计算hmac，后16位用来加解密

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

encrypt：

1. 获取current_time，并随机生成16位的CBC初始向量iv

2. 指定padding方式为PKCS7

3. 把要加密的原始data用padding方式补齐

4. 指定用AES算法CBC模式加密

5. 加密得到ciphertext

6. 把current_time、iv、ciphertext三者合并得到一个basic_parts

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

7. 计算basic_parts的hmac值

8. 把basic_parts + hmac 做base64计算后返回，这就是我们最终得到的加密数据，里面包含了时间戳、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：

完全于encrypt相反的操作

1. 得到current_time

2. base64解码token，得到包含时间戳、iv、密文、hmac的data

3. 根据时间戳和ttl，判断密钥是否已经失效

4. 计算hmac，并于之前的hmac进行验证，判断密钥有效性

5. 获取iv，和密文，并通过密钥解密，得到经过pad的明文

6. 通过PKCS7进行unpaid操作，得到去掉补齐的明文

7. 返回最终结果

　　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

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