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AES 加密模式介绍与应用

时间：2024-04-05 13:59:21浏览次数：21  
标签：CMAC AES 加密 模式 key 128

AES（高级加密标准）是一种广泛使用的对称加密算法，用于保护数据的安全。AES支持128、192和256位的密钥长度，并提供了多种操作模式，以适应不同的安全需求和应用场景，本文将重点介绍ECB、CBC、GCM，并顺带介绍下目前应用较广得CMAC计算。

注：本文不介绍AES算法原理，感兴趣得可参考如下文章：

AES加密算法原理的详细介绍与实现-CSDN博客

ECB （电子密码本）模式

AES ECB（Electronic Codebook）模式是AES（高级加密标准）算法的一种基础操作模式。在ECB模式中，明文被分成固定大小的块（对于AES，这个块大小是128位），然后每个块独立地被加密。这种模式的特点是简单和高效，但它并不提供数据的混淆，因为相同的明文块总是产生相同的密文块。

工作原理：

  1. 数据分块：

    • 待加密的明文被分割成128位的块。如果最后一个块不足128位，通常使用特定的填充方案（如PKCS#7）来补全至128位。

  2. 独立加密：

    • 每个128位的明文块独立地通过AES算法进行加密。加密过程涉及多轮的重复操作，包括字节替换（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。

  3. 密文输出：

    • 每个加密块的输出就是对应的密文块。这些块可以顺序输出，形成最终的密文。

特点：

  • 简单性：ECB模式的实现非常简单，因为它不需要保存任何状态信息，每个块的加密都是独立的。
  • 并行处理：由于每个块的加密是独立的，ECB模式可以并行处理多个数据块，这在多核处理器系统中可以显著提高性能。
  • 无混淆：ECB模式的主要缺点是它不提供数据混淆。如果明文中有重复的模式，加密后的密文中也会有明显的模式，这可能会被攻击者利用来破解密码。

安全性：

  • ECB模式的安全性相对较低，因为它容易受到模式分析攻击。如果攻击者能够识别出密文中的某些模式，他们可能推断出明文的一些信息。

应用场景：

  • 由于无混淆的特点，所以不太安全，目前已不推荐使用。

python实现：

如未安装pycryptodome，需要安装pycryptodome库，可以通过pip进行安装：

pip install pycryptodome

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

# AES密钥长度可以是16（AES-128）, 24（AES-192）, 或 32（AES-256）字节
key = get_random_bytes(16)  # 这里我们使用AES-128，所以密钥长度为16字节

# 创建一个新的AES cipher对象
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)

# 原始数据
plaintext = b"This is a secret message!"

# 由于AES是块密码，它只能处理固定长度的块（对于AES，这个长度是16字节）。
# 因此，我们需要对原始数据进行填充，使其长度达到块的倍数。
# pycryptodome提供了pad函数，可以自动进行填充。
padded_plaintext = pad(plaintext, AES.block_size)

# 加密数据
ciphertext = cipher.encrypt(padded_plaintext)

# 为了解密数据，我们需要再次创建一个新的AES cipher对象
decrypt_cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)

# 解密数据
decrypted_padded_text = decrypt_cipher.decrypt(ciphertext)

# 删除填充  
decrypted_text = unpad(decrypted_padded_text, AES.block_size)

print(f"原始数据: {plaintext}")
print(f"加密后数据: {ciphertext}")
print(f"解密后数据: {decrypted_text}")

# 输出如下
'''
原始数据: b'This is a secret message!'
加密后数据: b"rR\xc6\xd2c\x897\x00t\x8baCc\x9c\xea\xb5\xeb\xe1\x80\xc2\x86\x1f\xc4\xe4['\xaf\x9b\x03!\x07\xeb"
解密后数据: b'This is a secret message!'
'''

CBC（密码块链接）模式

AES CBC（Cipher Block Chaining）模式是AES算法中一种广泛使用的加密模式，它通过引入数据依赖性来增强安全性。在CBC模式中，每个数据块在被加密之前，会与前一个密文块进行异或操作。这种依赖性使得即使相同的明文块也会产生不同的密文块，从而隐藏了数据中的模式。

工作原理：

  1. 初始化向量（IV）：

    • CBC模式开始于一个随机生成的初始化向量（IV），它是一个128位的值，通常在密钥相同的情况下每次加密都会改变。
    • IV不需要保密，但它应该被传输给解密方，并且在加密过程中不应重复使用。

  2. 数据分块：

    • 明文被分割成128位的块。如果最后一个块不足128位，需要使用特定的填充方案（如PKCS#7）来补全至128位。

  3. 块间依赖：

    • 第一个明文块与IV进行异或操作后，再用AES密钥进行加密，得到第一个密文块。
    • 随后的每个明文块先与前一个密文块进行异或操作，然后再加密，以此类推。

  4. 密文输出：

    • 每个经过异或和加密的块成为密文块，这些密文块顺序输出，形成最终的密文。

特点：

  • 安全性：CBC模式通过引入块间依赖性，使得相同的明文块产生不同的密文块，这增加了攻击者破解密码的难度。
  • 错误传播：在CBC模式中，如果一个密文块被篡改，只有该块及其后续块的解密结果会受到影响，而不会像ECB模式那样影响所有块。

解密过程：

  • 解密过程与加密过程相反。每个密文块先进行解密，然后与前一个密文块（或IV）进行异或操作，以恢复原始的明文块。

应用场景：

  • CBC模式因其较高的安全性，适用于多种需要加密保护的场景，包括文件加解密、网络通信加解密，例如27服务安全算法、升级文件加解密、报文传输加解密等。

注意事项：

  • 必须确保每次加密都使用一个新的IV，以防止模式分析攻击。
  • 在某些情况下，如果IV的保密性得不到保证，可能会降低CBC模式的安全性。

python实现：

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


def aes_cbc_encrypt(key, plaintext):
    # AES key must be either 16, 24, or 32 bytes long
    if len(key) not in [16, 24, 32]:
        raise ValueError("Invalid AES key size")

    cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC)
    ciphertext = cipher.encrypt(pad(plaintext, AES.block_size))

    # 返回加密后的数据和初始化向量
    return cipher.iv, ciphertext


def aes_cbc_decrypt(key, iv, ciphertext):
    # AES key must be either 16, 24, or 32 bytes long
    if len(key) not in [16, 24, 32]:
        raise ValueError("Invalid AES key size")

    cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
    plaintext = unpad(cipher.decrypt(ciphertext), AES.block_size)

    return plaintext


# 示例
key = get_random_bytes(16)  # 生成一个随机的16字节的AES密钥
plaintext = b"This is a secret message"  # 需要加密的明文

# 加密  
iv, ciphertext = aes_cbc_encrypt(key, plaintext)
print("Encrypted:", ciphertext)

# 解密
decrypted_text = aes_cbc_decrypt(key, iv, ciphertext)
print("Decrypted:", decrypted_text)

# 输出如下
'''
Encrypted: b'b\xed\tQ\x08jU\xf5\xd69\x85e\xa5!\xf3i\x17\x80\x84 :\xb1\x1b\xfe(r\x91E>!\xe3\x06'
Decrypted: b'This is a secret message'
'''

GCM（伽罗瓦/计数器）模式

AES GCM（Galois/Counter Mode）模式是一种流行的加密算法，结合了计数器模式（CTR）的并行性和密码块链接模式（CBC）的安全性。GCM模式不仅提供加密，还提供消息认证，使其成为一种认证加密（AE）模式。这种模式特别适用于处理高速网络通信中的安全问题。

工作原理：

  1. 密钥和IV：

    • GCM模式使用一个128位、192位或256位的AES密钥，并要求一个随机生成的初始化向量（IV），通常长度为96位或128位。

  2. 加密过程：

    • GCM模式首先生成一个密钥流，这个密钥流是通过AES密钥加密一个由计数器和IV组成的固定长度的块来得到的。
    • 计数器块通常由一个递增的数字组成，用于加密每个数据块。
    • 每个数据块与密钥流进行异或操作后产生密文块。

  3. 认证过程：

    • GCM模式同时计算一个认证标签（Tag），这个标签是通过对附加的认证数据（如序列号、时间戳等）和加密后的密文块进行加密得到的。
    • 认证标签与密文一起传输，接收方可以使用相同的密钥和IV重新计算认证标签，并与接收到的标签进行比较，以验证数据的完整性和认证性。

  4. 解密过程：

    • 解密过程与加密过程类似，通过重新计算密钥流和认证标签来恢复原始数据，并验证数据的完整性和认证性。

特点：

  • 并行性：GCM模式允许加密和认证过程并行执行，这使得它非常适合高速网络通信。
  • 安全性：GCM模式提供了强大的安全性，包括对抗重放攻击和篡改攻击的能力。
  • 灵活性：GCM模式可以处理任意长度的数据，并且不需要填充到固定块大小。

应用场景：

  • GCM模式广泛应用于各种安全协议和标准中，包括无线网络安全（Wi-Fi）、IPsec VPN、TLS/SSL等。

注意事项：

  • 密钥和IV的保密性对GCM模式的安全性至关重要。如果密钥或IV被泄露或重复使用，可能会降低安全性。

python实现：

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

# 密钥长度必须是 16（AES128）, 24（AES192）, 或 32（AES256）字节
key = get_random_bytes(16)

# 初始化向量（IV）长度必须是 12 字节
iv = get_random_bytes(12)

# 创建一个 AES-GCM cipher 对象
cipher = AES.new(key, AES.MODE_GCM, iv)

# 要加密的数据
plaintext = b"This is a secret message."

# 加密数据
ciphertext, tag = cipher.encrypt_and_digest(pad(plaintext, AES.block_size))

# 现在，假设我们有一个接收者，他/她也有相同的密钥和 IV，并希望解密消息

# 创建一个新的 AES-GCM cipher 对象，用于解密
decipher = AES.new(key, AES.MODE_GCM, iv)

# 尝试解密数据
try:
    decryptedtext = unpad(decipher.decrypt(ciphertext), AES.block_size)
    # 验证消息的完整性
    decipher.verify(tag)
    print("Decrypted text: ", decryptedtext)
except (ValueError, TypeError):
    print("Decryption failed. The message may have been tampered with.")

CMAC 介绍

AES CMAC（Cipher-based Message Authentication Code）模式是一种基于AES加密算法的消息认证码生成方法。CMAC提供了一种机制，用于验证消息的完整性和认证性，确保消息在传输过程中未被篡改，并且确实来自声称的发送者。CMAC结合了加密的安全性和消息认证码的效率。

工作原理：

  1. 密钥：

    • CMAC使用一个AES密钥，长度可以是128位、192位或256位。

  2. 消息分块：

    • 待认证的消息被分割成128位的块。如果消息长度不是128位的整数倍，需要进行填充。

  3. CMAC计算：

    • CMAC的计算涉及两个关键步骤：扩展和XOR操作。
    • 首先，使用AES密钥对一个全零块进行加密，得到一个128位的值，称为K1。
    • 然后，对消息的第一个128位块（或填充后的块）进行加密，得到另一个128位的值，称为K2。
    • 接下来，将K2与消息块进行XOR操作，如果消息块大于128位，则继续处理下一个块。
    • 这个过程重复进行，直到所有的消息块都被处理完毕。

  4. 最终CMAC输出：

    • 最后，将所有XOR操作的结果进行累加，得到最终的CMAC值。这个值作为消息认证码，可以附在消息后面一起发送。

特点：

  • 安全性：CMAC提供了消息认证，确保消息的完整性和来源的可靠性。
  • 效率：CMAC的计算过程相对简单，不需要复杂的链式操作，适合于硬件和软件实现。
  • 灵活性：CMAC适用于不同长度的消息，并且可以与AES的不同密钥长度配合使用。

应用场景：

  • CMAC主要用于需要消息认证的场景，例如SecOC、安全启动等。

注意事项：

  • 密钥的保密性对CMAC的安全性至关重要。如果密钥被泄露，CMAC提供的保护将失效。
    python实现：
from Crypto.Cipher import AES  
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad  
from Crypto.Hash import CMAC  
  
# AES 密钥，长度必须是 16（AES-128）, 24（AES-192）或 32（AES-256）字节  
key = b'sixteen byte key'  
  
# 要加密的消息  
message = b'This is a secret message.'  
  
# 创建一个 AES CMAC 对象  
cmac = CMAC.new(key, ciphermod=AES)  
  
# 更新 CMAC 对象，添加要验证的消息  
cmac.update(message)  
  
# 生成 CMAC 摘要  
cmac_digest = cmac.digest()  
  
print(f"CMAC Digest: {cmac_digest.hex()}")  
  
# 如果你要验证消息的完整性，你可以重新计算消息的 CMAC，并与原始 CMAC 进行比较  
# 例如，假设你收到了一条消息和一个 CMAC，你可以这样验证它们：  
  
# 重新创建 AES CMAC 对象  
new_cmac = CMAC.new(key, ciphermod=AES)  
  
# 更新 CMAC 对象，添加接收到的消息  
new_cmac.update(message)  
  
# 生成新的 CMAC 摘要  
new_cmac_digest = new_cmac.digest()  
  
# 比较两个 CMAC 摘要是否相同  
if cmac_digest == new_cmac_digest:  
    print("Message is authentic and intact.")  
else:  
    print("Message is not authentic or has been tampered with.")
    
# 输出如下
'''
CMAC Digest: 1f358736c85072cb02b11a8f3b9cbc1e
Message is authentic and intact.
'''

附 AES加密工具

在这里插入图片描述
支持ECB、CBC、CMAC、GCM计算，
下载链接：AES.rar

标签：CMAC,AES,加密,模式,key,128
From： https://blog.csdn.net/qq_27718973/article/details/137398874

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