前后端对称加密传输 AES

云运维 2023-01-04 大猫 手机阅读
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1.基本概念

  • 对称加密：对称加密是，采用单密钥密码系统的加密方法，同一个密钥同时用作信息的加密和解密。由于速度快，常用于加密大量数据的传输。
  • DES（Data Encryption Standard），数据加密标准：DES的密钥长度是56比特，算法的理论安全强度是( 2^{56} )。随着计算机处理能力的增强，DES已经不能够提供足够的安全性。
  • AES（Advanced Encryption Standard），高级加密标准：1997年1月，美国国家标准技术研究所，开始征集高级加密标准，得到众多学者响应。经过层层筛选、性能测试，最后Rijndael算法被选中。该算法为比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen所设计。

2.基本原理

下面是加密过程的动态图。AES加密算法涉及4种操作。

  • 1.字节替代（SubBytes）:字节代替的主要功能是完成一个字节到另外一个字节的映射
  • 2.行移位（ShiftRows）:行移位是一个4x4的矩阵内部字节之间的置换，用于提供算法的扩散性。
  • 3.列混淆（MixColumns）:列混淆，利用GF(( 2^{8} ))域上算术特性的一个代替，同样用于提供算法的扩散性。
  • 4.轮密钥加（AddRoundKey）:矩阵中的每一个字节都与该次轮秘钥（round key）做XOR运算，每个子密钥由密钥生成方案产生。

下面是AES加密算法图解：Alt text

3.工作模式

分组加密算法是按分组大小来进行加解密操作的，如DES算法的分组是64位，而AES是128位，但实际明文的长度一般要远大于分组大小，这样的情况如何处理呢？工作模式约定的就是明文数据流按照多大分组切分、数据对不齐时如何处理等问题。主要的几种工作模式：

  • 电子密码本（Electronic Code Book Mode ，ECB）:ECB模式只是将明文按分组大小切分，然后用同样的密钥正常加密切分好的明文分组。ECB的理想应用场景是短数据（如加密密钥）的加密。此模式的问题是无法隐藏原明文数据的模式，因为同样的明文分组加密得到的密文也是一样的。
  • 密码分组链接（Cipher Block Chaining Mode ，CBC）:引入了IV（初始化向量：Initialization Vector）的概念。CBC模式相比ECB实现了更好的模式隐藏，但因为其将密文引入运算，加解密操作无法并行操作。同时引入的IV向量，还需要加、解密双方共同知晓方可。
  • 密文反馈（Cipher Feedback Mode ，CFB）:与CBC模式类似，但不同的地方在于，CFB模式先生成密码流字典，然后用密码字典与明文进行异或操作并最终生成密文。后一分组的密码字典的生成需要前一分组的密文参与运算。
  • 输出反馈（Output Feedback Mode ，OFB）:OFB模式与CFB模式不同的地方是：生成字典的时候会采用明文参与运算，CFB采用的是密文。
  • 计数器模式（Counter Mode ，CTR）:CTR模式同样会产生流密码字典，但同是会引入一个计数，以保证任意长时间均不会产生重复输出。

4. 填充

填充的作用是，在加密前将普通文本的长度扩展到需要的长度。ECB 和 CBC 需要填充，即加密后长度可能会不一样，CFB、OFB、CTR 不需要填充，密文长度与明文长度一样。主要的填充模式有，PKCS7 、ANSIX923、ISO10126 、NoPadding、ZeroPadding。

  • PKCS7 ： 填充字符串由一个字节序列组成，每个字节填充该字节序列的长度
  • ANSIX923：填充字符串包含的一个填充了零长度的字节序列
  • ISO10126 ：填充字符串包含的长度的随机数据
  • NoPadding：不填充是完成的
  • ZeroPadding：填充字符串由设置为零的字节组成

示例：

数据︰ FF FF FF FF FF FF FF FF FF
PKCS7 填充︰ FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 07 07 07-07-07 07
ANSIX923填充︰ FF FF FF FF FF FF FF FF FF 00 00 00 00 00 00 07
ISO10126 填充︰ FF FF FF FF FF FF FF FF FF 7 D 2A 75 EF F8 EF 07
ZeroPadding 填充︰ FF FF FF FF FF FF FF FF FF 00 00 00 00 00 00 00

5. 前端AES加密 - JavaScript

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<script src="https://www.chenshaowen.com/blog/cryptojs/3.1.2/rollups/aes.js"></script>
<script src="https://www.chenshaowen.com/blog/cryptojs/3.1.2/components/pad-zeropadding-min.js"></script>
<script type="text/javascript"> 
var str = 'my_text';
// 密钥key长度必须为16（AES-128）、24（AES-192）、或32（AES-256）Bytes 长度
var key = 'mDSR16qzlugnyK0wBJZOAhTHoI4sP7df';
// 初始向量 initial vector 16 位，这里为了简便，直接截取key前16位
var iv = key.substring(0,16) ;
// key 和 iv 可以一致
 
key = CryptoJS.enc.Utf8.parse(key);
iv = CryptoJS.enc.Utf8.parse(iv);
 
//加密过程
var encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(str, key, {
    iv: iv,
    mode: CryptoJS.mode.CBC,
    padding: CryptoJS.pad.ZeroPadding
});
// mode 支持 CBC、CFB、CTR、ECB、OFB, 默认 CBC
// padding 支持 Pkcs7、AnsiX923、Iso10126、NoPadding、ZeroPadding, 默认 Pkcs7
 
// 转换为字符串，"7sLMd96Msn24voJuuLDllw=="
encrypted = encrypted.toString();
 
//解密过程
var decrypted = CryptoJS.AES.decrypt(encrypted, key, {
    iv: iv,
    mode: CryptoJS.mode.CBC,
    padding: CryptoJS.pad.ZeroPadding
});
 
// 转换为 utf8 字符串，"my_text"
decrypted = CryptoJS.enc.Utf8.stringify(decrypted);
</script>

6. 后端AES加密- Python

  • 安装PyCrypto库

在Python中使用AES加密，只需要安装一个PyCrypto库即可。

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pip install pycrypto
  • 生成Key

AES的Key可选长度必须是，16个字节，24个字节，32个字节。

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import random, string
key = ''.join(random.sample(string.ascii_letters + string.digits, 16))
  • AES加密函数原型
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from Crypto.Cipher import AES
cipher = AES.new(key, mode, iv)
  • key：初始密钥。根据 AES 规范，可以是 16 字节、24 字节和32 字节长，分别对应 128 位、192 位和 256 位
  • mode：加密模式。可以寻找相关的文档了解。接下来的示例中会用到 CBC 模式，因此在此作一个简单的阐述：CBC 模式是先将明文切分成若干小段，然后每一小段与初始块或者上一段的密文段进行异或运算后，再与密钥进行加密
  • iv：初始化向量。在部分加密模式中需要使用到，如对于 CBC 模式来说，它必须是随机选取并且需要保密的；而且它的长度和密码分组相同（AES 的分组长度固定为 16 字节）
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# encoding:utf-8
import string
import base64
import random
from Crypto.Cipher import AES
 
class AESecrypt():
    def __init__(self, key, padding=''):
        # 这里密钥key 长度必须为16（AES-128）、24（AES-192）、或32（AES-256）Bytes 长度
        self.key = key
        self.iv = key[:AES.block_size]
        self.mode = AES.MODE_CBC
        self.padding = padding
        # self.is_unicode = False
    # 加密函数，如果text不是16的倍数【加密文本text必须为16的倍数！】，那就补足为16的倍数
 
    def encrypt(self, text):
        # if isinstance(text, unicode):
        #     text = text.encode('utf-8')
            # self.is_unicode = True
        cryptor = AES.new(self.key, self.mode, IV=self.iv)
        length = AES.block_size
        count = len(text)
        add = count % length
        if add:
            text = text + (self.padding * (length - add))
        self.ciphertext = cryptor.encrypt(text)
        # 因为AES加密时候得到的字符串不一定是ascii字符集的，输出到终端或者保存时候可能存在问题
        # 所以这里统一把加密后的字符串用base64转化
        return base64.b64encode(self.ciphertext)
    # 解密后，去掉补足的''用strip() 去掉
 
    def decrypt(self, text):
        cryptor = AES.new(self.key, self.mode, IV=self.iv)
        plain_text = cryptor.decrypt(base64.b64decode(text)).rstrip(self.padding)
        # return plain_text.decode('utf-8') if self.is_unicode else plain_text
        return plain_text
 
if __name__ == '__main__':
    key = ''.join(random.sample(string.ascii_letters + string.digits, 32))
    print 'key:{key}, length:{length}'.format(key=key, length=len(key))
    tool = AESecrypt(key)
 
    e_text_en = tool.encrypt('my_text')
    print u'encrypt_text_en:{text}'.format(text=e_text_en)
    d_text_en = tool.decrypt(e_text_en)
    print 'de_text_en:{text}'.format(text=d_text_en)
 
    # e_text_cn = tool.encrypt(u'中文文本')
    # print 'encrypt_text_cn:{text}'.format(text=e_text_cn)
    # d_text_cn = tool.decrypt(e_text_cn)
    # print u'de_text_en:{text}'.format(text=d_text_cn)

输出：

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key:8YkSbojRzx3AJfuX2QdD6s5HWFcL1iE4, length:32
encrypt_text_en:YZ5PUFJIqYeSDbD8ORq5Qg==
de_text_en:my_text

7. 参考

  • https://github.com/matt-wu/AES