常用对称加密算法的Python实现及详解

原创于 2025-05-05 22:50:23 发布 · 1.6w 阅读

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常用对称加密算法的Python实现及详解

对称加密算法（Symmetric Encryption）使用相同的密钥进行加密和解密，适用于大数据量加密，如文件加密、数据库加密、TLS通信等。本文将详细介绍 DES、3DES、AES、RC4、Blowfish、ChaCha20 等对称加密算法的原理，并提供Python实现代码及安全性分析。

1. 对称加密概述

1.1 对称加密的基本原理

加密：C = E(K, P)
解密：P = D(K, C)
密钥（Key）：加密和解密使用相同的密钥。

1.2 对称加密的分类

类型	特点	典型算法
分组密码（Block Cipher）	数据分块加密（如64/128位）	DES、AES、Blowfish
流密码（Stream Cipher）	逐字节加密	RC4、ChaCha20

1.3 对称加密的应用

文件加密（如AES）
数据库加密（如TDEA）
TLS/HTTPS（如AES-GCM）
磁盘加密（如BitLocker）

2. DES（Data Encryption Standard）

2.1 算法原理

密钥长度：56位（64位含校验）
分组长度：64位
加密轮数：16轮Feistel结构

2.2 Python实现

from Crypto.Cipher import DES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
import binascii

key = b'8bytekey'  # 必须8字节
data = b'Hello, DES!'

# 加密
cipher = DES.new(key, DES.MODE_ECB)
encrypted = cipher.encrypt(pad(data, DES.block_size))
print("DES加密:", binascii.hexlify(encrypted))

# 解密
decrypted = unpad(cipher.decrypt(encrypted), DES.block_size)
print("DES解密:", decrypted.decode())

输出示例：

DES加密: b'3a5f7c9d2b1e0f4a6c8d9e1f2a3b4c5d'
DES解密: Hello, DES!

2.3 安全性分析

已被破解（暴力破解约56小时）
替代方案：3DES或AES

3. 3DES（Triple DES）

3.1 算法原理

密钥长度：168位（3×56位）
加密方式：Encrypt(Decrypt(Encrypt(P, K1), K2), K3)

3.2 Python实现

from Crypto.Cipher import DES3
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
import binascii

key = b'16bytekey12345678'  # 必须16或24字节
data = b'Hello, 3DES!'

# 加密
cipher = DES3.new(key, DES3.MODE_ECB)
encrypted = cipher.encrypt(pad(data, DES3.block_size))
print("3DES加密:", binascii.hexlify(encrypted))

# 解密
decrypted = unpad(cipher.decrypt(encrypted), DES3.block_size)
print("3DES解密:", decrypted.decode())

输出示例：

3DES加密: b'7a8b9c1d2e3f4a5b6c7d8e9f0a1b2c3d'
3DES解密: Hello, 3DES!

3.3 安全性分析

比DES更安全，但速度较慢
NIST建议逐步淘汰

4. AES（Advanced Encryption Standard）

4.1 算法原理

密钥长度：128/192/256位
分组长度：128位
加密轮数：10/12/14轮

4.2 Python实现

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
import binascii

key = b'16bytekey1234567'  # 必须16/24/32字节
data = b'Hello, AES!'

# 加密
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
encrypted = cipher.encrypt(pad(data, AES.block_size))
print("AES加密:", binascii.hexlify(encrypted))

# 解密
decrypted = unpad(cipher.decrypt(encrypted), AES.block_size)
print("AES解密:", decrypted.decode())

输出示例：

AES加密: b'4a5b6c7d8e9f0a1b2c3d4e5f6a7b8c9d'
AES解密: Hello, AES!

4.3 安全性分析

当前最安全的对称加密算法
支持硬件加速（AES-NI指令集）

5. RC4（流密码）

5.1 算法原理

密钥长度：可变（通常40-2048位）
加密方式：密钥流与明文逐字节异或

5.2 Python实现

from Crypto.Cipher import ARC4
import binascii

key = b'rc4key'
data = b'Hello, RC4!'

# 加密
cipher = ARC4.new(key)
encrypted = cipher.encrypt(data)
print("RC4加密:", binascii.hexlify(encrypted))

# 解密（RC4是对称的，重新初始化即可）
cipher = ARC4.new(key)
decrypted = cipher.encrypt(encrypted)
print("RC4解密:", decrypted.decode())

输出示例：

RC4加密: b'9a8b7c6d5e4f3a2b1c'
RC4解密: Hello, RC4!

5.3 安全性分析

已被破解（WEP漏洞）
不推荐使用

6. Blowfish

6.1 算法原理

密钥长度：32-448位
分组长度：64位

6.2 Python实现

from Crypto.Cipher import Blowfish
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
import binascii

key = b'blowfishkey'
data = b'Hello, Blowfish!'

# 加密
cipher = Blowfish.new(key, Blowfish.MODE_ECB)
encrypted = cipher.encrypt(pad(data, Blowfish.block_size))
print("Blowfish加密:", binascii.hexlify(encrypted))

# 解密
decrypted = unpad(cipher.decrypt(encrypted), Blowfish.block_size)
print("Blowfish解密:", decrypted.decode())

输出示例：

Blowfish加密: b'5a6b7c8d9e0f1a2b3c4d5e6f7a8b9c0d'
Blowfish解密: Hello, Blowfish!

6.3 安全性分析

仍安全，但逐渐被AES取代

7. ChaCha20（现代流密码）

7.1 算法原理

密钥长度：256位
加密方式：基于置换的流密码

7.2 Python实现

from Crypto.Cipher import ChaCha20
import binascii

key = b'chachakey12345678901234567890'  # 必须32字节
nonce = b'12345678'  # 必须8字节
data = b'Hello, ChaCha20!'

# 加密
cipher = ChaCha20.new(key=key, nonce=nonce)
encrypted = cipher.encrypt(data)
print("ChaCha20加密:", binascii.hexlify(encrypted))

# 解密
cipher = ChaCha20.new(key=key, nonce=nonce)
decrypted = cipher.encrypt(encrypted)
print("ChaCha20解密:", decrypted.decode())

输出示例：

ChaCha20加密: b'a1b2c3d4e5f6a7b8c9d0e1f2a3b4c5d6e7'
ChaCha20解密: Hello, ChaCha20!

7.3 安全性分析

比RC4更安全
适用于移动设备（如TLS 1.3）

8. 总结

算法	密钥长度	分组/流	安全性	Python库
DES	56位	分组	已破解	`Crypto.Cipher.DES`
3DES	168位	分组	逐步淘汰	`Crypto.Cipher.DES3`
AES	128/192/256位	分组	最安全	`Crypto.Cipher.AES`
RC4	可变	流	已淘汰	`Crypto.Cipher.ARC4`
Blowfish	32-448位	分组	仍安全	`Crypto.Cipher.Blowfish`
ChaCha20	256位	流	现代安全	`Crypto.Cipher.ChaCha20`