（02）Python密碼庫Cryptography探究學習---深入理解Fernet
Fernet不僅僅是個對稱密碼演算法，它是密碼學原語的集合應用，主要有3個特點：（1）使用了符合密碼安全的隨機數密鑰。（2）提供了加密功能：使用了128位密鑰的AES加密演算法，對數據 PKCS7 填充後，以AES-CBC模式進行加密。（3）提供了認證的功能，採用Sha256的哈希函數，產生消息認證碼（HMAC）。
大家先通過https://github.com/pyca/cryptography/blob/master/src/cryptography/fernet.py，結合源代碼，看看下面的詳細介紹：
一、使用了密碼安全的隨機數密鑰
對於密碼演算法而言，密鑰應該是符合密碼學安全的隨機數。只有這樣才能保證密碼演算法的安全性，否則容易遭受攻擊。在很多應用中，密鑰並不隨機，不能符合密碼學的要求，存在著漏洞。
那麼如何得到真正的隨機數呢？真正的隨機數是通過物理過程得到的，比如拋硬幣、擲骰子，布朗運動，量子效應，放射性衰變，振蕩器採樣等。
能密碼演算法中使用的隨機數，如何產生呢？建議採用操作系統中的隨機數產生器來產生，在Unix操作系統中使用 /dev/urandom，而在Windows操作系統中使用CryptGenRandom 生成。由於我們使用Python語言，只需要使用如下的方法，即
>>> import osn>>> salt = os.urandom(32)n
我們通過15.1. os - Miscellaneous operating system interfaces - Python 2.7.13 documentation，來查看os.urandom(n)的說明。
Return a string of n random bytes suitable for cryptographic use.
This function returns random bytes from an OS-specific randomness source. The returned data should be unpredictable enough for cryptographic applications, though its exact quality depends on the OS implementation.
使用Fernet時，有兩種方式產生密鑰：
（1）讓Fernet直接產生
這種方法調用key = Fernet.generate_key()。
def generate_key(cls):nn return base64.urlsafe_b64encode(os.urandom(32))n
通過os.urandom(32)產生符合密碼學要求的隨機數，而後進行base64編碼。
（2）自己設定一個密碼
如下是個例子：
>>> import base64n>>> import osn>>> from cryptography.fernet import Fernetn>>> from cryptography.hazmat.backends import default_backendn>>> from cryptography.hazmat.primitives import hashesn>>> from cryptography.hazmat.primitives.kdf.pbkdf2 import PBKDF2HMACn>>> password = b"password"n>>> salt = os.urandom(16)n>>> kdf = PBKDF2HMAC(n... algorithm=hashes.SHA256(),n... length=32,n... salt=salt,n... iterations=100000,n... backend=default_backend()n... )n>>> key = base64.urlsafe_b64encode(kdf.derive(password))n>>> f = Fernet(key)n>>> token = f.encrypt(b"Secret message!")n>>> tokenn...n>>> f.decrypt(token)nSecret message!n
設定一個password，接著使用PBKDF2HMAC。它是個密鑰推導函數，通過多次對salt進行hash運算從而產生密鑰。該方法被美國政府標準化，並得到廣泛採用。以後有時間再進行更加詳細的介紹。
通過密鑰推導函數，輸出32位隨機數，使用key = base64.urlsafe_b64encode(kdf.derive(password))產生Fernet使用的密鑰。
二、加密和認證功能
這兩個功能主要通過 encrypt和_encrypt_from_parts函數實現。
def _encrypt_from_parts(self, data, current_time, iv):n if not isinstance(data, bytes):n raise TypeError("data must be bytes.")nn padder = padding.PKCS7(algorithms.AES.block_size).padder()n padded_data = padder.update(data) + padder.finalize()n encryptor = Cipher(n algorithms.AES(self._encryption_key), modes.CBC(iv), self._backendn ).encryptor()n ciphertext = encryptor.update(padded_data) + encryptor.finalize()nn basic_parts = (n b"x80" + struct.pack(">Q", current_time) + iv + ciphertextn )nn h = HMAC(self._signing_key, hashes.SHA256(), backend=self._backend)n h.update(basic_parts)n hmac = h.finalize()n return base64.urlsafe_b64encode(basic_parts + hmac)n
（1）數據填充
......n padder = padding.PKCS7(algorithms.AES.block_size).padder()n padded_data = padder.update(data) + padder.finalize()n......n
它使用Cryptography提供的padding函數，對明文數據進行填充。
明文消息的長度是隨機的，按128比特分組時，最後一組消息長度可能不足128比特。此時要填充一些數字湊夠128比特。為了讓接收者能區分正確消息與填充的無用數字，需要加上指示信息。通常數據尾部、填充字元和填充指示符作為一組明文進行加密。n（2）使用了AES-CBC模式進行加密
......n encryptor = Cipher(n algorithms.AES(self._encryption_key), modes.CBC(iv), self._backendn ).encryptor()n ciphertext = encryptor.update(padded_data) + encryptor.finalize()n......n
（3）產生認證碼
basic_parts = (n b"x80" + struct.pack(">Q", current_time) + iv + ciphertextn )nn h = HMAC(self._signing_key, hashes.SHA256(), backend=self._backend)n h.update(basic_parts)n hmac = h.finalize()n return base64.urlsafe_b64encode(basic_parts + hmac)n
basic_parts以「x80」開頭，包含現有時間、IV和密文。接著使用SHA256（）哈希函數產生HMAC認證碼。HMAC是使用hash演算法構造的含有密鑰散列函數演算法，其中哈希演算法採用了SHA256，密鑰是self._signing_key（32位key中的前16位），產生固定長度的認證碼，以防止密文在傳輸過程中被篡改。
最後將basic_parts和消息認證碼hmac一同返回。
三、小結
本文對Fernet進行了深入的介紹，希望讀者能夠理解密碼演算法中使用的隨機數是如何產生的，並理解對明文的加密，要有填充、加密的步驟，且為了防止密文傳輸過程中的篡改，要使用HMAC演算法，從而對cryptographic recipes有更加深刻的認識。
由於部分讀者對一些密碼學原語並不十分清楚，這裡知道大概的含義即可，有時間我會進行更加詳細的介紹。
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