Securing data exchange channels between python applications using cryptographic libraries

Abstract

The subject of study in the article is the use of Python’s cryptographic libraries (cryptography, PyNaCl) for constructing lightweight yet robust security layers on top of existing communication mechanisms. The purpose of the article is to present a practical and reproducible method for securing message flows by combining symmetric encryption (AES-GCM), ephemeral key exchange (X25519), key derivation (HKDF with SHA-256), and digital signatures (Ed25519). The following results were obtained. The proposed model integrates authenticated encryption with associated data (AEAD) and session counters to mitigate replay risks, while maintaining compatibility with various transports such as HTTP, gRPC, and MQTT. The study provides minimal, clear code examples and performance measurements showing that the system achieves encryption and decryption in less than one millisecond for typical payloads, with key exchange and signature operations adding only a few milliseconds. These results demonstrate that strong cryptographic protection can be achieved without significant performance penalties. Conclusion. The findings confirm the suitability of the proposed scheme for real-time distributed systems, microservices, and IoT environments. Future improvements may include post-quantum cryptography integration and automated key management. Предметом дослідження у статті є використання криптографічних бібліотек Python (cryptography, PyNaCl) для побудови легких, але надійних механізмів безпеки поверх наявних каналів обміну. Метою статті є представлення практичного та відтворюваного методу захисту інформаційних потоків шляхом поєднання симетричного шифрування (AES-GCM), ефемерного обміну ключами (X25519), виведення ключів (HKDF із SHA-256) та цифрових підписів (Ed25519). Були отримані наступні результати. Запропонована модель інтегрує аутентифіковане шифрування з додатковими даними (AEAD) та лічильниками повідомлень для запобігання повторним атакам, залишаючись сумісною з різними транспортними рівнями (HTTP, gRPC, MQTT). У роботі наведено мінімальні приклади коду та результати вимірювань продуктивності, які показують, що шифрування та розшифрування займають менше однієї мілісекунди для типових повідомлень, а обмін ключами та операції підпису додають лише кілька мілісекунд. Це свідчить про можливість реалізації потужного криптографічного захисту без значних накладних витрат. Висновок. Отримані результати підтверджують, придатність схеми для розподілених систем у режимі реального часу, мікросервісів та IoT. Подальший розвиток може включати інтеграцію постквантових алгоритмів та автоматизоване управління ключами.