Python 非同步程式函式庫與密碼學應用

– 8 分鐘閱讀

在分散式系統和安全導向的應用開發中，非同步程式設計和密碼學扮演著至關重要的角色。Python 提供了豐富的函式庫，讓開發者能輕鬆運用這些技術。本文不僅深入淺出地介紹了 asyncio、gevent、Twisted 和 PyZMQ 等非同步程式函式庫的特性和使用方式，更進一步探討了密碼學函式庫，例如 cryptography、pyOpenSSL、PyNaCl，以及訊息代理 RabbitMQ 的整合技巧，幫助開發者在提升系統效能和確保資料安全方面取得平衡，並建構更穩健的應用程式。這些函式庫各有千秋，開發者可以根據專案需求選擇最合適的工具。

分散式系統中的非同步程式函式庫與工具

在分散式系統的開發中，非同步程式設計是提升系統效能與可擴充套件性的關鍵技術之一。Python 提供了多種函式庫來支援非同步程式設計，每種函式庫都有其特定的設計理念和應用場景。本篇文章將介紹幾種流行的 Python 非同步程式函式庫，包括 asyncio、gevent、Twisted 和 PyZMQ，並探討它們在分散式系統中的應用。

asyncio：Python 的原生非同步 I/O 支援

Python 3.4 之後引入的 asyncio 模組為 Python 提供了原生支援的非同步 I/O 操作。asyncio 使用協程（coroutine）來實作非同步程式設計，允許開發者在單執行緒中編寫高效的非同步程式碼。

事件迴圈與協程

asyncio 的核心是事件迴圈（event loop），它負責管理協程的執行。開發者可以透過 async 和 await 關鍵字來定義協程，並使用事件迴圈來排程這些協程的執行。

import asyncio

async def my_coroutine():
    print("Hello, asyncio!")
    await asyncio.sleep(1)
    print("Goodbye, asyncio!")

async def main():
    await my_coroutine()

asyncio.run(main())

內容解密：

  1. async def my_coroutine(): 定義了一個名為 my_coroutine 的協程函式。使用 async def 語法是定義協程的標準方式。
  2. await asyncio.sleep(1) 在協程中使用 await 關鍵字來等待 asyncio.sleep(1) 的完成，這模擬了一個耗時的操作（如 I/O 操作），並且不會阻塞事件迴圈。
  3. asyncio.run(main()) 啟動事件迴圈並執行 main 協程。asyncio.run() 是執行協程式的入口點。

gevent：根據 greenlet 的非同步網路函式庫

gevent 是一個根據 greenlet 的 Python 網路函式庫，它提供了一個高層次的同步 API，但底層卻是非同步執行的。gevent 使用 libev 事件迴圈來實作高效的非同步 I/O 操作。

使用 gevent 進行 DNS 解析

import gevent
from gevent import socket

urls = ['www.google.com', 'www.example.com', 'www.python.org']
jobs = [gevent.spawn(socket.gethostbyname, url) for url in urls]
gevent.joinall(jobs, timeout=2)
print([job.value for job in jobs])

內容解密：

  1. gevent.spawn(socket.gethostbyname, url) 為每個 URL 生成一個 greenlet 來執行 DNS 解析。這允許這些操作平行執行。
  2. gevent.joinall(jobs, timeout=2) 等待所有 greenlet 完成，最長等待時間為 2 秒。這確保了程式不會因為某些操作耗時過長而無限等待。
  3. [job.value for job in jobs] 取得每個 greenlet 的傳回值，即 DNS 解析的結果。

Twisted：事件驅動的網路引擎

Twisted 是一個成熟的事件驅動網路引擎，支援多種網路協定，包括 HTTP、SMTP、POP3、IMAP 和 SSH 等。Twisted 提供了一個強大的框架來構建複雜的網路應用。

使用 Twisted 建立一個簡單的伺服器

from twisted.python import threadtools
from twisted.internet import protocol, reactor

class MyProtocol(protocol.Protocol):
    def connectionMade(self):
        print("Connection made")

    def dataReceived(self, data):
        print("Received data:", data)

class MyFactory(protocol.Factory):
    def buildProtocol(self, addr):
        return MyProtocol()

reactor.listenTCP(8000, MyFactory())
reactor.run()

內容解密：

  1. MyProtocol 定義了一個協定類別，處理連線建立和資料接收等事件。
  2. MyFactory 定義了一個工廠類別，負責建立協定例項。
  3. reactor.listenTCP(8000, MyFactory()) 在 TCP 的 8000 連線埠上監聽，並使用 MyFactory 建立協定例項。
  4. reactor.run() 啟動事件迴圈，使伺服器開始監聽和處理事件。

PyZMQ：ZeroMQ 的 Python 繫結

PyZMQ 是 ZeroMQ 的 Python 繫結，ZeroMQ 是一個輕量級的訊息佇列函式庫，提供了一種簡單而強大的訊息傳遞模式。

使用 PyZMQ 建立請求-回應模式

伺服器端：

import zmq

context = zmq.Context()
server = context.socket(zmq.REP)
server.bind('tcp://127.0.0.1:5000')

while True:
    message = server.recv().decode('utf-8')
    print('Client said:', message)
    server.send(bytes('I do not know.', 'utf-8'))

客戶端：

import zmq

context = zmq.Context()
client = context.socket(zmq.REQ)
client.connect('tcp://127.0.0.1:5000')

client.send(bytes("What's for lunch?", 'utf-8'))
response = client.recv().decode('utf-8')
print('Server replied:', response)

內容解密：

  1. server = context.socket(zmq.REP) 和 client = context.socket(zmq.REQ) 分別建立了一個 REP（回應）通訊端和一個 REQ（請求）通訊端，用於實作請求-回應模式。
  2. server.bind('tcp://127.0.0.1:5000') 將伺服器繫結到指定的 IP 和連線埠，而客戶端則透過 client.connect('tcp://127.0.0.1:5000') 連線到伺服器。
  3. server.recv() 和 client.send() 用於接收和傳送訊息，實作了客戶端和伺服器之間的通訊。

密碼學與訊息代理在Python中的應用

在現代軟體開發中，安全性和可靠性是至關重要的兩個方面。密碼學提供了保護資料安全的基礎，而訊息代理則使得不同系統或服務之間的通訊變得高效且可靠。本篇文章將探討Python中與密碼學和訊息代理相關的工具和函式庫。

密碼學函式庫的誕生與發展

Python密碼學權威（PyCA）成立於2013年，旨在為Python社群提供高品質的密碼學函式庫。其中最為人所知的函式庫包括cryptography、pyOpenSSL、PyNaCl等。這些函式庫提供了加密、解密、密碼雜湊等功能，對於保護資料安全至關重要。

訊息代理：RabbitMQ

RabbitMQ是一個開源的訊息代理軟體，實作了進階訊息佇列協定（AMQP）。它允許不同客戶端之間進行訊息傳遞，且支援多種程式語言。在Python中，pika和Celery是兩個流行的用於與RabbitMQ互動的函式庫。

使用pika與RabbitMQ互動

import pika

# 建立連線
connection = pika.BlockingConnection(pika.ConnectionParameters('localhost'))
channel = connection.channel()

# 宣告佇列
channel.queue_declare(queue='hello')

# 傳送訊息
channel.basic_publish(exchange='',
                      routing_key='hello',
                      body='Hello World!')
print(" [x] Sent 'Hello World!'")

# 關閉連線
connection.close()

內容解密：

  1. 首先，我們匯入了pika模組，這是Python中用於與RabbitMQ互動的客戶端函式庫。
  2. 接著，建立了一個到RabbitMQ伺服器的連線，並建立了一個通道（channel）。
  3. 透過queue_declare方法，我們宣告了一個名為hello的佇列，如果該佇列不存在，則會被建立。
  4. 使用basic_publish方法，我們向hello佇列發送了一條訊息。
  5. 最後，關閉了連線。

密碼學選項

Python提供了多種密碼學相關的函式庫和模組，包括標準函式庫中的ssl、hashlib和secrets，以及第三方函式庫如pyOpenSSL、cryptography等。

ssl、hashlib和secrets

import ssl
import smtplib

# 建立SSL上下文
context = ssl.create_default_context()

# 建立SMTP連線
smtp = smtplib.SMTP("mail.python.org", port=587)
smtp.starttls(context=context)

內容解密：

  1. 我們首先匯入了必要的模組，包括ssl和smtplib。
  2. 使用ssl.create_default_context()建立了一個預設的SSL上下文，這提供了安全的預設設定。
  3. 建立了一個到郵件伺服器的SMTP連線，並使用STARTTLS命令升級到TLS加密連線。

密碼學函式庫與安全實務

在軟體開發過程中，密碼學函式庫的使用對於確保資料安全至關重要。本文將介紹多個Python密碼學函式庫，包括其功能、安裝方法及使用範例。

為何需要鹽值（Salt）

在儲存密碼時，為了防止攻擊者利用預先計算好的雜湊值表（Rainbow Table）進行破解，通常會在密碼中加入一個隨機的字串，即鹽值（Salt）。這樣可以增加密碼儲存的安全性。

使用鹽值儲存密碼的範例

import os
import hashlib

def hash_password(password, salt_len=16, iterations=10000, encoding='utf-8'):
    salt = os.urandom(salt_len)
    hashed_password = hashlib.pbkdf2_hmac(
        hash_name='sha256',
        password=bytes(password, encoding),
        salt=salt,
        iterations=iterations
    )
    return salt, iterations, hashed_password

# 範例使用
salt, iterations, hashed_password = hash_password("mysecretpassword")
print(f"Salt: {salt.hex()}")
print(f"Iterations: {iterations}")
print(f"Hashed Password: {hashed_password.hex()}")

內容解密：

  • os.urandom(salt_len)：生成一個隨機的鹽值。
  • hashlib.pbkdf2_hmac：使用PBKDF2演算法結合HMAC進行密碼雜湊。
  • hash_name='sha256'：指定使用的雜湊演算法為SHA-256。
  • iterations=10000：設定迭代次數以增加計算時間，提高安全性。

pyOpenSSL

pyOpenSSL是一個Python對OpenSSL的封裝，提供了SSL/TLS功能。由於它直接根據最新的OpenSSL，因此適合用於需要最新安全更新的伺服器應用。

安裝與使用pyOpenSSL

$ pip install pyOpenSSL

import OpenSSL

# 範例使用
curve = OpenSSL.crypto.get_elliptic_curve('Oakley-EC2N-3')
print(curve)

context = OpenSSL.SSL.Context(OpenSSL.SSL.TLSv1_2_METHOD)
print(context)

內容解密：

  • OpenSSL.crypto.get_elliptic_curve：取得指定的橢圓曲線。
  • OpenSSL.SSL.Context：建立一個SSL上下文，指定TLS版本。

PyNaCl與libnacl

PyNaCl和libnacl都是根據libsodium的密碼學函式庫，提供簡單易用的加密功能。PyNaCl由於在PyCA維護下，推薦使用。

安裝與使用PyNaCl

$ pip install PyNaCl

內容解密：

PyNaCl提供了高階別的加密介面，簡化了加密流程。

Cryptography

Cryptography是一個全面的密碼學函式庫，提供高階別和低階別的密碼學介面。

安裝與使用Cryptography

$ pip install cryptography

from cryptography.fernet import Fernet

key = Fernet.generate_key()
cipher_suite = Fernet(key)
cipher_text = cipher_suite.encrypt(b"A really secret message.")
plain_text = cipher_suite.decrypt(cipher_text)

print(f"Key: {key}")
print(f"Cipher Text: {cipher_text}")
print(f"Plain Text: {plain_text}")

內容解密：

  • Fernet.generate_key()：生成一個用於加密和解密的金鑰。
  • Fernet.encrypt和Fernet.decrypt：進行對稱加密和解密。

PyCrypto

PyCrypto是一個歷史悠久的密碼學函式庫，提供了多種加密演算法。

安裝與使用PyCrypto

$ pip install pycrypto

from Crypto.Cipher import AES

# 加密
encryption_suite = AES.new('This is a key123', AES.MODE_CBC, 'This is an IV456')
cipher_text = encryption_suite.encrypt("A really secret message.")

# 解密
decryption_suite = AES.new('This is a key123', AES.MODE_CBC, 'This is an IV456')
plain_text = decryption_suite.decrypt(cipher_text)

print(f"Cipher Text: {cipher_text}")
print(f"Plain Text: {plain_text}")

內容解密：

  • AES.new：建立一個AES加密或解密物件，需要金鑰、模式和初始化向量（IV）。
  • encrypt和decrypt：進行加密和解密操作。

bcrypt

bcrypt是一個專門用於密碼雜湊的函式庫，提供了簡單易用的介面。

安裝與使用bcrypt

$ pip install bcrypt

import bcrypt

password = b"mysecretpassword"
hashed_pw = bcrypt.hashpw(password, bcrypt.gensalt(14))

print(f"Hashed Password: {hashed_pw}")

# 驗證密碼
is_valid = bcrypt.checkpw(password, hashed_pw)
print(f"Is Password Valid? {is_valid}")

內容解密：

  • bcrypt.hashpw：對密碼進行雜湊，需要提供鹽值。
  • bcrypt.gensalt：生成一個鹽值，可以指定迭代次數。
  • bcrypt.checkpw：驗證密碼是否與雜湊值匹配。
玄貓 BlackCat

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。