安全基础学习-AES128加密算法

前言

AES（Advanced 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。
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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 Rounds，9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。
在这里插入图片描述

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 os

def 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_text

def 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_text

if __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)