密码学速查指南

适合这样的读者： 需要在 Python 中处理加密、编码、哈希操作的开发者。本文按用途分类整理------先分清"编码/哈希/加密"的区别，再给出各场景的实操代码。

前置知识： 了解字节与字符串的区别即可。

密码学操作可以按三个维度分类：

类别	是否可逆	是否需要密钥	常见用途
编码	可逆	否	URL 传输、二进制文本化
哈希摘要	不可逆	否	密码存储、数据完整性校验
加密	可逆	是	数据保密传输

编码

不依赖密钥，仅改变数据表示形式，任何人都可以解码

URL 编码

将非 ASCII 字符或特殊字符转为 %XX 格式，使其能在 URL 中安全传输

py 复制代码

from urllib.parse import quote, urlencode, unquote

# 1. 编码字符串
print(quote('米饭怎么吃'))                     # %E7%B1%B3%E9%A5%AD%E6%80%8E%E4%B9%88%E5%90%83
print(quote('米饭怎么吃', encoding="gbk"))     # %C3%D7%B7%B9%D4%F5%C3%B4%B3%D4

# 2. 编码字典
dic = {"wq": "米饭怎么吃", "new_wq": "想怎么吃就怎么吃"}
print(urlencode(dic))

# 3. 解码
print(unquote("http://www.baidu.com/s?wd=%E5%A4%A7%E7%8E%8B"))
# http://www.baidu.com/s?wd=大王

Base64

将二进制数据转为 64 个可打印字符表示，常用于图片/附件传输

Base64 字符串长度是 4 的倍数，不足时需要填充 =。如果解码时遇到 Incorrect padding 错误，说明缺少填充字符。

py 复制代码

import base64

# 编码：字节 → Base64 字符串
print(base64.b64encode("我要吃饭".encode("utf-8")).decode())

# 解码：Base64 字符串 → 字节
print(base64.b64decode("5oiR6KaB5ZCD6aWt").decode("utf-8"))

手动处理填充不足：

py 复制代码

s = "ztKwrsTj0b0"
s += ("=" * (4 - len(s) % 4))
print("填充后", s)

bb = base64.b64decode(s).decode("gbk")
print(bb)

哈希摘要

将任意长度的数据映射为固定长度的哈希值，不可逆。同样的输入总是同样的输出。

哈希不可逆是重要特性：无法从哈希值反推出原文。常用于密码存储和文件完整性校验。

MD5

输出 128 位（32 位十六进制），速度快，但已不再安全，不应用于密码存储

py 复制代码

from hashlib import md5

# 不加盐
obj = md5()
obj.update("明文".encode("utf-8"))
print(obj.hexdigest())

# 加盐（防止彩虹表攻击）
obj = md5("固定盐值".encode("utf-8"))
obj.update("明文".encode("utf-8"))
print(obj.hexdigest())

SHA-1 / SHA-256

输出更长，安全性更高。SHA-256 是目前推荐的哈希算法

py 复制代码

from hashlib import sha1, sha256

sha = sha256()
sha.update('明文'.encode("utf-8"))
print(sha.hexdigest())

# 加盐
sha = sha256('固定盐值'.encode("utf-8"))
sha.update('明文'.encode("utf-8"))
print(sha.hexdigest())

HMAC（基于哈希的消息认证码）

用密钥对消息签名，同时验证消息完整性和来源身份。API 接口签名最常用的方式

HMAC = 哈希函数 + 密钥。和哈希的区别：哈希任何人都能计算，HMAC 需要密钥才能验证。这在数据采集场景中很常见------很多 API 要求对请求参数做 HMAC 签名。

py 复制代码

import hmac
import hashlib

key = b"api_secret_key"
msg = b"param1=value1&param2=value2"

# 生成签名
sig = hmac.new(key, msg, hashlib.sha256).hexdigest()
print(sig)  # 输出 64 位十六进制字符串

# 验证签名（服务端用相同 key 和 msg 重新计算，比对是否一致）
expected = hmac.new(key, msg, hashlib.sha256).hexdigest()
print(hmac.compare_digest(sig, expected))  # True

实际场景： 爬虫请求需要签名的 API 时，找到签名算法（通常是 HMAC-SHA256），用抓到的 key 对请求参数排序后计算签名，拼到请求头中发送。

对称加密

加密和解密使用同一个密钥。速度快，适合大量数据的加密传输。

关键参数：

密钥长度：越长越安全（AES-128 / AES-192 / AES-256）
加密模式 ：
- ECB：每个分组独立加密，不推荐（相同明文产生相同密文）
- CBC：前一分组的密文参与下一分组加密，推荐
- CFB / OFB：将块密码转为流密码模式

对称加密的安全前提：密钥只能由通信双方知晓，不能通过网络明文传输。

AES

当前最广泛使用的对称加密标准

python 复制代码

from Crypto.Cipher import AES

key = b"0123456789abcdef"     # 16 字节 = AES-128
IV  = b"0102030405060708"     # 初始向量，CBC 模式必需

# 加密
aes = AES.new(key, mode=AES.MODE_CBC, IV=IV)
data = "明文"
data_bs = data.encode("utf-8")

# 数据长度必须是 16 的倍数，不足补位
pad_len = 16 - len(data_bs) % 16
data_bs += (pad_len * chr(pad_len)).encode("utf-8")

bs = aes.encrypt(data_bs)
print(bs)

# 解密
aes = AES.new(key, mode=AES.MODE_CBC, IV=IV)
result = aes.decrypt(bs)
print(result.decode("utf-8"))

DES

密钥仅 56 位（8 字节），已可被暴力破解。不建议在新项目中使用，了解即可

python 复制代码

from Crypto.Cipher import DES

key = b"01234567"            # 8 字节
IV  = b"01020304"

# 加密
des = DES.new(key, mode=DES.MODE_CBC, IV=IV)
data = "我要吃饭".encode("utf-8")
pad_len = 8 - len(data) % 8
data += (pad_len * chr(pad_len)).encode("utf-8")
bs = des.encrypt(data)
print(bs)

# 解密
des = DES.new(key, mode=DES.MODE_CBC, IV=IV)
result = des.decrypt(bs)
print(result.decode("utf-8"))

非对称加密

使用公钥加密、私钥解密。公钥可公开，私钥必须保密。

对称加密的问题在于"密钥如何安全传输"------非对称加密解决了这个问题：发送方用接收方的公钥加密数据，只有接收方的私钥能解密。

RSA

最常用的非对称加密算法，安全性基于大整数分解的难度

py 复制代码

from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Cipher import PKCS1_v1_5
from Crypto import Random
import base64

gen_random = Random.new

# 1. 生成密钥对
rsakey = RSA.generate(1024)
with open("rsa_public.pem", mode="wb") as f:
    f.write(rsakey.publickey().exportKey())
with open("rsa_private.pem", mode="wb") as f:
    f.write(rsakey.exportKey())

# 2. 加密（使用公钥）
data = "需要加密的敏感数据"
with open("rsa_public.pem", mode="r") as f:
    pk = f.read()
    rsa_pk = RSA.importKey(pk)
    rsa = PKCS1_v1_5.new(rsa_pk)
    result = rsa.encrypt(data.encode("utf-8"))
    b64_result = base64.b64encode(result).decode("utf-8")
    print(b64_result)

# 3. 解密（使用私钥）
with open("rsa_private.pem", mode="r") as f:
    prikey = f.read()
    rsa_pk = RSA.importKey(prikey)
    rsa = PKCS1_v1_5.new(rsa_pk)
    result = rsa.decrypt(base64.b64decode(b64_result), gen_random)
    print(result.decode("utf-8"))

如何选择

需求	推荐方案
URL 传输非 ASCII 字符	URL 编码
二进制数据文本化（如图片传输）	Base64
密码存储	SHA-256 + 盐值（或 bcrypt / argon2）
文件完整性校验	SHA-256
大量数据传输加密	AES-256-CBC
密钥分发与数字签名	RSA
端到端加密（性能要求高）	非对称加密交换密钥 → 对称加密传输数据

安全提示

不要自己造加密算法------使用经过验证的标准库
不要用 ECB 模式------相同明文产生相同密文，信息泄漏风险
哈希密码必须加盐------防止彩虹表攻击
RSA 密钥长度不低于 2048 位------1024 位已被认为不安全