Python AES加密详解与实践

小白的大数据之旅

发布于 2024-11-20 17:44:43

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一、引言

高级加密标准（Advanced Encryption Standard, AES）是一种广泛使用的对称密钥加密算法，由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年发布。AES以其高效、安全和灵活性而闻名，被广泛应用于保护敏感数据的机密性。本文将深入探讨Python中AES加密的实现，包括其原理、关键参数、以及通过代码示例进行实践。

二、AES加密基础

1、对称密钥加密

AES是一种对称密钥加密算法，意味着加密和解密使用相同的密钥。这种加密方式在效率上优于非对称加密（如RSA），但密钥分发和管理成为挑战。

2、工作模式

AES支持多种操作模式，如ECB（电子密码本模式）、CBC（密码块链接模式）、CFB（密码反馈模式）、OFB（输出反馈模式）和CTR（计数器模式）等。每种模式都有其特点和适用场景。

3、密钥长度

AES支持三种长度的密钥：128位、192位和256位。密钥长度越长，加密强度越高，但加密和解密过程也相应更慢。

三、Python中的AES加密

在Python中，可以使用pycryptodome库来实现AES加密。pycryptodome是PyCrypto的一个分支，提供了更全面的加密算法支持。

1、安装pycryptodome

首先，需要安装pycryptodome库。可以使用pip进行安装：

pip install pycryptodome

2、案例一：使用CBC模式和PKCS#7填充

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
from Crypto.Random import get_random_bytes
import base64

# 生成随机的密钥（必须是16、24或32字节）
key = get_random_bytes(16)

# 生成随机的初始化向量（IV），AES块大小为16字节
iv = get_random_bytes(AES.block_size)

# 明文数据
plain_text = "Hello, AES Encryption!".encode('utf-8')

# 使用PKCS#7填充明文数据到AES块大小的倍数
padded_data = pad(plain_text, AES.block_size)

# 创建AES加密器，使用CBC模式和之前生成的密钥及IV
cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)

# 加密填充后的数据
encrypted_data = cipher.encrypt(padded_data)

# 将IV和密文拼接，然后Base64编码以便于存储或传输
cipher_text_str = base64.b64encode(iv + encrypted_data).decode('utf-8')

print("加密后的数据:", cipher_text_str)

# 解密过程
# 创建相同的AES解密器
decrypt_cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)

# 解密数据
decrypted_padded_data = decrypt_cipher.decrypt(encrypted_data)

# 去除填充
decrypted_text = unpad(decrypted_padded_data, AES.block_size)

print("解密后的数据:", decrypted_text.decode('utf-8'))

输出结果：

加密后的数据: UYQTIYCyXTclVckVAmQH3VjWjfZLhblZGNTkNe2CSIrxBwcbXRutES9I+Elid4Hj 解密后的数据: Hello, AES Encryption!

3、案例二：使用ECB模式和自定义填充

注意：ECB模式不推荐使用于加密长数据或敏感数据，因为它不使用IV且相同的明文块会产生相同的密文块。

from Crypto.Cipher import AES
import base64
from Crypto.Random import get_random_bytes

# 生成随机的密钥（必须是16、24或32字节）
key = get_random_bytes(16)

# 明文数据
plain_text = "ECB模式进行AES加密".encode('utf-8')


# 自定义填充函数（这里使用简单的'X'字符填充）
def custom_pad(s, block_size=AES.block_size):
    pad_len = block_size - len(s) % block_size
    return s + b'h' * pad_len


# 加密
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
padded_data = custom_pad(plain_text)
encrypted_data = cipher.encrypt(padded_data)

# Base64编码
cipher_text_str = base64.b64encode(encrypted_data).decode('utf-8')

print("加密后输出:", cipher_text_str)

# 解密（同样需要自定义填充）
decrypted_data = cipher.decrypt(encrypted_data)
# 去除填充（注意：这里需要知道填充的规则）
decrypted_text = decrypted_data.rstrip(b'h').decode('utf-8')

print("解密后输出:", decrypted_text)

输出结果：

加密后输出: ZYUTsU3bZdWF7pq4pFA1J/mbR4DRLMHUMcoOYhODcNM= 解密后输出: ECB模式进行AES加密

3、案例三：使用GCM模式

GCM（Galois/Counter Mode）是一种结合了CTR模式和GHASH（Galois Hash）的认证加密模式，它提供了数据的机密性和完整性保护。

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Random import get_random_bytes
from Crypto.Util.Padding import pad
import base64

# 生成随机的密钥（对于AES-GCM，推荐使用128位（16字节）或256位（32字节）的密钥）
key = get_random_bytes(32)  # 生成一个32字节（256位）的密钥

# 生成随机的nonce（GCM中的IV被称为nonce，不需要保密，但必须确保唯一）
nonce = get_random_bytes(16)  # 生成一个16字节的nonce

# 明文数据
plain_text = "AES-GCM加密!".encode('utf-8')

# AES-GCM不需要传统的填充，但我们可以使用pad函数以确保与可能的其他加密模式兼容（尽管在这里是多余的）
# 注意：对于GCM，实际上应该直接加密原始明文，不需要填充
# 这里为了展示pad函数的使用（虽然在这个上下文中是多余的），我们还是使用它
padded_data = pad(plain_text, AES.block_size)  # 但GCM模式下这步是多余的

# 由于GCM模式下不需要填充，我们直接加密原始明文
# 创建AES-GCM加密器
cipher = AES.new(key, AES.MODE_GCM, nonce=nonce)

# 加密数据并获取密文和认证标签
ciphertext, tag = cipher.encrypt_and_digest(plain_text)  # 加密明文并获取密文和GCM认证标签

# 通常，你会将nonce、密文和标签一起发送给接收者（或存储它们以供以后使用）
# 这里，为了简化，我们将它们Base64编码并打印出来
cipher_text_with_nonce_and_tag = base64.b64encode(nonce + ciphertext + tag).decode('utf-8')
print("加密后输出:", cipher_text_with_nonce_and_tag)

# 解密过程
# 接收方需要拥有相同的密钥和nonce来解密和验证密文
decrypt_cipher = AES.new(key, AES.MODE_GCM, nonce=nonce)

# 解密数据并验证认证标签
try:
    decrypted_text = decrypt_cipher.decrypt_and_verify(ciphertext, tag)
    print("解密后输出:", decrypted_text.decode('utf-8'))
except ValueError:
    # 如果认证标签不匹配，decrypt_and_verify将抛出一个ValueError
    print("身份验证失败!.")

# 注意：在实际应用中，nonce（IV）和密钥都应该安全地存储和传输
# 密钥应该保密，而nonce（IV）应该对每个加密操作都是唯一的，但不需要保密
# 认证标签（tag）是验证密文完整性和真实性的关键部分，必须随密文一起发送或存储