对称加密：AES使用介绍

已于 2025年10月29日 19:20 修改访问次数：0

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准） 是一种对称加密算法，用于加密数据，并广泛应用于现代加密领域。它由美国国家标准与技术研究院（NIST）于 2001 年发布，成为目前最常用的对称加密算法之一。AES 设计的目标是替代旧有的加密标准 DES（Data Encryption Standard），并具备更高的安全性和更高的效率。

1. AES 概述

AES 是一种 对称密钥加密算法，即加密和解密过程使用相同的密钥。AES 支持三种不同的密钥长度：128 位、192 位和 256 位，分别称为 AES-128、AES-192 和 AES-256。

加密过程：将明文分成固定大小的块（通常为 16 字节），然后用密钥和若干轮的数学运算（包括替代、置换、混合、分组等操作）将其转换成密文。
解密过程：使用相同的密钥对密文进行逆运算，将其恢复为明文。

AES 基于 分组加密（block cipher），它将输入的数据（明文）分成固定大小的块，常见的块大小为 128 位（16 字节）。

2. AES 工作原理

AES 的核心操作是由一系列的 轮次（Rounds） 构成。每一轮都包括以下四种主要操作：

SubBytes（字节替代）：使用一个固定的字节替换表（S-box）将每个字节替换为一个新的字节。
ShiftRows（行移位）：将状态数组的每一行向左循环移位，移位的数量取决于行的位置。
MixColumns（列混合）：对每一列进行线性变换，混合每列的字节。它使得每个字节的变化不仅仅依赖于它自己，而是依赖于列中的所有字节。
AddRoundKey（轮密钥加）：将当前状态与一个由密钥生成的轮密钥进行异或运算。这个操作确保每一轮都与密钥相关联。

这些操作会根据所使用的密钥长度（AES-128、AES-192、AES-256）重复一定次数（轮次）：

AES-128：共 10 轮
AES-192：共 12 轮
AES-256：共 14 轮

3. AES 密钥扩展

AES 使用的密钥长度决定了密钥扩展的过程。密钥扩展生成一系列的 轮密钥（Round Key），每一轮的加密操作都使用不同的轮密钥。

AES-128：将 128 位的密钥扩展为 44 个 32 位的词（即 176 字节）。
AES-192：将 192 位的密钥扩展为 52 个 32 位的词（即 208 字节）。
AES-256：将 256 位的密钥扩展为 60 个 32 位的词（即 240 字节）。

这些扩展的轮密钥将与明文和中间状态进行异或操作，确保每一轮的加密与密钥相关。

4. AES 模式

AES 支持多种加密模式，每种模式在使用 AES 加密时有不同的操作方式和安全特性。常见的 AES 模式包括：

ECB（Electronic Codebook）模式：每个明文块单独加密，不会受到其他块的影响。虽然简单但不够安全，因为相同的明文块会被加密为相同的密文块，容易受到模式分析攻击。
CBC（Cipher Block Chaining）模式：每个明文块在加密前与前一个密文块进行异或操作。这样，两个相同的明文块加密后会得到不同的密文，从而提高了安全性。CBC 模式需要初始化向量（IV）来保证加密的随机性。
CFB（Cipher Feedback）模式：类似于 CBC 模式，但它将前一个密文块的一部分作为输入，适合加密任意长度的数据流。
OFB（Output Feedback）模式：使用前一个加密块的输出作为输入来加密当前块，确保每次加密操作不依赖于前一个密文块，避免错误扩散。
CTR（Counter）模式：使用计数器来生成每个加密块的密钥流，计数器是递增的，能并行加密数据块，因此加密速度较快。
GCM（Galois/Counter Mode）模式：结合了加密和认证功能，适用于需要加密并保证数据完整性的场景。它提供了数据的机密性和完整性保证（同时进行加密和认证）。

5. AES 示例代码

例子 1：使用 CBC 模式加密和解密数据（PyCryptodome）

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

# 生成 128 位的随机密钥
key = get_random_bytes(16)

# 随机生成初始化向量（IV）
iv = get_random_bytes(16)

# 初始化 AES 加密器，使用 CBC 模式
cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)

# 要加密的数据
data = "This is a secret message".encode('utf-8')

# 填充数据，使其长度为 16 的倍数
pad_length = 16 - (len(data) % 16)
data += bytes([pad_length]) * pad_length

# 加密
encrypted_data = cipher.encrypt(data)

# 输出加密后的数据（Base64 编码）
print("Encrypted:", base64.b64encode(encrypted_data).decode())

# 解密
cipher_dec = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
decrypted_data = cipher_dec.decrypt(encrypted_data)

# 去除填充
decrypted_data = decrypted_data[:-decrypted_data[-1]].decode('utf-8')

print("Decrypted:", decrypted_data)

例子 2：使用 ECB 模式加密和解密数据（PyCryptodome）

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

# 生成 128 位的随机密钥
key = get_random_bytes(16)

# 初始化 AES 加密器，使用 ECB 模式
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)

# 要加密的数据
data = "This is a secret message".encode('utf-8')

# 填充数据，使其长度为 16 的倍数
pad_length = 16 - (len(data) % 16)
data += bytes([pad_length]) * pad_length

# 加密
encrypted_data = cipher.encrypt(data)

# 输出加密后的数据（Base64 编码）
print("Encrypted:", base64.b64encode(encrypted_data).decode())

# 解密
cipher_dec = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
decrypted_data = cipher_dec.decrypt(encrypted_data)

# 去除填充
decrypted_data = decrypted_data[:-decrypted_data[-1]].decode('utf-8')

print("Decrypted:", decrypted_data)

6. AES 安全性分析

密钥长度：AES 的安全性直接与密钥长度相关。AES-128 仍然被认为是非常安全的，但 AES-256 提供了更高的安全性，特别是对于要求极高安全性的应用（例如，政府、金融等）。
模式的选择：在 AES 中，使用 ECB 模式时，数据的相同部分会被加密成相同的密文块，这使得 ECB 模式不适合处理高度敏感的数据。相反，CBC 模式和 GCM 模式提供更高的安全性，特别是在加密多个块时，能够防止相同明文产生相同密文。
性能：AES 具有很高的性能，特别是在硬件加速支持的情况下，AES 加密速度较快，因此适用于需要大规模加密的数据传输和存储。

总结

AES 是一个强大的对称加密算法，广泛应用于数据加密、传输加密等领域。
它支持多种密钥长度（128、192、256），并提供多种加密模式（如 CBC、GCM、CTR 等），使得它可以灵活适应不同的应用场景。
选择合适的加密模式对安全性至关重要，而 CBC 和 GCM 是常用的加密模式，提供了较强的安全性。

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