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AES#xff08;Advanced Encryption Standard#xff09;是对称加密算法的一个标准#xff0c;主要用于保护电子数据的安全。AES 支持128、192、和256位密钥长度#xff0c;其中AES-128是最常用的一种#xff0c;它使用128位#xff08;16字节#xff09;的密钥进…前言
AESAdvanced Encryption Standard是对称加密算法的一个标准主要用于保护电子数据的安全。AES 支持128、192、和256位密钥长度其中AES-128是最常用的一种它使用128位16字节的密钥进行加密和解密操作。AES属于分组密码每次操作128位16字节的数据块。
AES128加密流程
AES的加密过程包括以下几步 密钥扩展Key Expansion密钥会通过一个密钥扩展算法生成一系列称为“轮密钥”Round Keys的密钥。AES-128需要10轮每轮用到一个轮密钥。 这里的K矩阵就是原始密钥把每一列用4维向量w来表示就拆分成了w0,w1,w2,w3将w3进行g中的运算先是把4个字节左环移然后对这4个字节进行S盒变换字节代替变换完后最左面的字节与RCj相加AES128加密要把以上步骤进行10轮RCj在每一轮的计算中都不一样具体如下 初始轮Initial Round在加密的初始步骤中将数据块与初始密钥通过按位异或XOR进行操作。 主要轮Main Rounds9轮每一轮包括四个操作 字节代换SubBytes将每个字节使用一个固定的查找表S盒Substitution Box进行替换。 S_BOX [0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16
]行移位ShiftRows行内移位操作按特定规则将数据块的每一行向左循环移位。 列混合MixColumns列内进行线性变换使用矩阵乘法混合列的数据。 其中矩阵c为 轮密钥加AddRoundKey将当前的数据块与当前轮密钥进行按位异或操作。 最终轮Final Round第10轮与前9轮的步骤类似但不包括“列混合”步骤。
AES128解密流程
解密过程是加密过程的逆过程包括 密钥扩展 初始轮密钥加 主要轮的逆操作Inverse ShiftRows、Inverse SubBytes、Inverse MixColumns # 定义逆S盒用于解密的字节替换步骤
INV_S_BOX [0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38, 0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb,0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87, 0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb,0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d, 0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e,0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2, 0x76, 0x5b, 0xa2, 0x49, 0x6d, 0x8b, 0xd1, 0x25,0x72, 0xf8, 0xf6, 0x64, 0x86, 0x68, 0x98, 0x16, 0xd4, 0xa4, 0x5c, 0xcc, 0x5d, 0x65, 0xb6, 0x92,0x6c, 0x70, 0x48, 0x50, 0xfd, 0xed, 0xb9, 0xda, 0x5e, 0x15, 0x46, 0x57, 0xa7, 0x8d, 0x9d, 0x84,0x90, 0xd8, 0xab, 0x00, 0x8c, 0xbc, 0xd3, 0x0a, 0xf7, 0xe4, 0x58, 0x05, 0xb8, 0xb3, 0x45, 0x06,0xd0, 0x2c, 0x1e, 0x8f, 0xca, 0x3f, 0x0f, 0x02, 0xc1, 0xaf, 0xbd, 0x03, 0x01, 0x13, 0x8a, 0x6b,0x3a, 0x91, 0x11, 0x41, 0x4f, 0x67, 0xdc, 0xea, 0x97, 0xf2, 0xcf, 0xce, 0xf0, 0xb4, 0xe6, 0x73,0x96, 0xac, 0x74, 0x22, 0xe7, 0xad, 0x35, 0x85, 0xe2, 0xf9, 0x37, 0xe8, 0x1c, 0x75, 0xdf, 0x6e,0x47, 0xf1, 0x1a, 0x71, 0x1d, 0x29, 0xc5, 0x89, 0x6f, 0xb7, 0x62, 0x0e, 0xaa, 0x18, 0xbe, 0x1b,0xfc, 0x56, 0x3e, 0x4b, 0xc6, 0xd2, 0x79, 0x20, 0x9a, 0xdb, 0xc0, 0xfe, 0x78, 0xcd, 0x5a, 0xf4,0x1f, 0xdd, 0xa8, 0x33, 0x88, 0x07, 0xc7, 0x31, 0xb1, 0x12, 0x10, 0x59, 0x27, 0x80, 0xec, 0x5f,0x60, 0x51, 0x7f, 0xa9, 0x19, 0xb5, 0x4a, 0x0d, 0x2d, 0xe5, 0x7a, 0x9f, 0x93, 0xc9, 0x9c, 0xef,0xa0, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xae, 0x2a, 0xf5, 0xb0, 0xc8, 0xeb, 0xbb, 0x3c, 0x83, 0x53, 0x99, 0x61,0x17, 0x2b, 0x04, 0x7e, 0xba, 0x77, 0xd6, 0x26, 0xe1, 0x69, 0x14, 0x63, 0x55, 0x21, 0x0c, 0x7d
] 最终轮的逆操作不包括逆列混合
加密模式
上述所说是16字节数据加密和解密对于数据大于16字节时我们可以区分不同模式进行解决
ECB模式的基本原理 分块加密在ECB模式下明文数据被分成固定大小的块对于AES块大小为128位即16字节。如果最后一个块不足16字节则需要使用填充如PKCS#7填充来填充至16字节。 独立加密每个明文块使用相同的密钥独立加密生成相应的密文块。即使明文中的某个块被多次使用得到的密文也将是相同的。 加密流程 将明文分成多个128位的块。对每个块使用AES-128加密算法进行加密生成密文块。将所有密文块连接在一起形成最终的密文。
ECB模式的优缺点
优点
简单性ECB模式实现简单容易理解和使用。并行处理由于每个块独立加密可以并行处理多个块提高加密效率。
缺点
模式缺陷 相同明文块生成相同密文块如果明文中有相同的块则其加密后的密文也会相同导致模式泄露信息。模式不安全由于没有引入任何随机性攻击者可以通过观察密文的模式来推测明文内容。例如在图像加密中相同的图像块将产生相同的加密输出容易被识别。
python实现
1.直接调用库
from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
import osdef aes_ecb_encrypt(plain_text, key):# 创建 AES 加密器cipher AES.new(key, AES.MODE_ECB)# PKCS7 填充padded_text pad(plain_text.encode(), AES.block_size)# 加密encrypted_text cipher.encrypt(padded_text)return encrypted_textdef aes_ecb_decrypt(encrypted_text, key):# 创建 AES 解密器cipher AES.new(key, AES.MODE_ECB)# 解密decrypted_padded_text cipher.decrypt(encrypted_text)# 移除 PKCS7 填充decrypted_text unpad(decrypted_padded_text, AES.block_size).decode()return decrypted_textif __name__ __main__:# 生成 16 字节的 AES 密钥key os.urandom(16)# 示例明文plain_text 这是一段需要加密的文本。# 加密encrypted_text aes_ecb_encrypt(plain_text, key)print(加密后的文本:, encrypted_text.hex())# 解密decrypted_text aes_ecb_decrypt(encrypted_text, key)print(解密后的文本:, decrypted_text)
参考资料
aes参考资料1大部分图片来自于此可点击进入详细阅读
