前后端对称加密传输 - AES

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

<script src="cryptojs/3.1.2/rollups/aes.js"></script>
<script src="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。

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。

1
2

import random, string
key = ''.join(random.sample(string.ascii_letters + string.digits, 16))

AES加密函数原型

1
2

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）

# encoding:utf-8
import string
import base64
import random
from Crypto.Cipher import AES

class AESecrypt():
    def __init__(self, key, padding='\0'):
        # 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'\0'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

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陈少文的网站