Python 3 Fernet使用轻微修改的密钥可成功解密的技术疑问

以下是测试用的Python代码：

def encrypt_message(message, key) -> bytes:
  """Encrypts a message using Fernet."""
  f = Fernet(key)
  encrypted_message = f.encrypt(message.encode())
  return encrypted_message


def decrypt_message(encrypted_message, key) -> str:
  """Decrypts a message using Fernet."""
  f = Fernet(key)
  decrypted_message = f.decrypt(encrypted_message).decode()
  return decrypted_message


message_ = "This is a secret message!"

encrypted = encrypt_message(message_, b"HeYt_XX4wRLvnDP9fC9-7hlMgasQ270tpWSrjKy0jRE=")
# 每次加密的密文会变化，这是正常现象
print("Encrypted:", encrypted)

decrypted = decrypt_message(encrypted, b"HeYt_XX4wRLvnDP9fC9-7hlMgasQ270tpWSrjKy0jRF=")
print("Decrypted:", decrypted)

运行后发现一个奇怪的现象：调用decrypt_message时，把解密密钥末尾的E替换成F/G/H，解密依然能成功；但替换成I时解密失败。按对称加密的常识，加解密必须用完全相同的密钥，对此感到困惑，寻求解释。

测试输出结果：

Encrypted: b'gAAAAABmcc7eNiwRP4lYl7gM0mthNdlvYsPUs_nttJMchmZ_mfJNMS4D2BC3QZHZZiZ7vrPhPwvBqK2DDOXSuB5wQkk9t-tU0PYefGvNy2IoDZNGNQMcdc0='

Decrypted: This is a secret message!

Process finished with exit code 0

你遇到的这个现象，核心是Fernet密钥的Base64编码特性在起作用：

1. Fernet密钥的本质：Fernet要求密钥是32字节的二进制数据，我们传入的字符串是这个二进制密钥经过URL-safe Base64编码后的结果。32字节等于256位，Base64每4个字符对应3字节（24位），256位的二进制数据需要43个Base64字符（42个字符对应252位，最后1个字符补充剩下的4位），再加上1个=填充符，凑成44个字符的标准格式。

2. 末尾字符的解码逻辑：你修改的末尾字符（E/F/G/H/I）属于Base64编码的最后一个有效字符，它只需要提供4位数据就能补全256位，剩下的2位会被填充符=忽略。看Base64的字符编码规则（URL-safe版本和标准一致，仅替换+为-、/为_）：

   • E对应二进制000100，取前4位是0001
   • F对应000101，前4位0001
   • G对应000110，前4位0001
   • H对应000111，前4位0001
   • I对应001000，前4位0010

   所以当你把E换成F/G/H时，解码得到的32字节二进制密钥和原密钥完全一致——因为我们只取了这些字符的前4位，后2位被填充忽略了。而换成I时，前4位变成了0010，解码后的二进制密钥和原密钥产生了差异，导致Fernet的HMAC签名验证失败，解密就无法成功了。

3. 对称加密的规则没有被打破：你以为用了不同的密钥，但实际上Fernet真正使用的二进制密钥是一样的，这才是解密成功的原因。一旦二进制密钥真的不同（比如换成I的情况），对称加密“加解密密钥必须完全一致”的规则就生效了，解密必然失败。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者OGM