基于SHA-256的大文档加密模块设计与实现

基于SHA-256的大文档加密模块设计与实现

1. 引言

SHA-256（Secure Hash Algorithm 256-bit）是密码学散列函数家族的一部分，常用于确保数据的完整性和安全性。尽管SHA-256本身是一个散列算法而非加密算法，但可以与其他技术组合使用来实现数据的加密和完整性验证。本设计方案将介绍如何使用SHA-256散列算法结合对称加密算法（如AES）来加密和验证大文档。

2. 目标

设计并实现一个基于SHA-256的加密模块，该模块能够：

• 对大文档进行加密，确保数据的保密性。
• 生成文档的SHA-256散列值，用于完整性验证。
• 提供解密功能，并验证文档的完整性。

3. 系统设计

3.1 模块组成

1. SHA-256散列模块：生成文档的散列值，用于数据完整性验证。
2. 对称加密模块：使用AES算法对文档进行加密和解密。
3. 完整性验证模块：比较原始文档和解密文档的SHA-256散列值，验证数据完整性。

3.2 流程图

1. 加密流程

   • 输入：大文档、对称密钥
   • 输出：加密文档、SHA-256散列值
   • 步骤：
     1. 生成文档的SHA-256散列值。
     2. 使用AES算法和对称密钥对文档进行加密。
     3. 返回加密文档和散列值。

2. 解密流程

   • 输入：加密文档、对称密钥、原始SHA-256散列值
   • 输出：解密文档、完整性验证结果
   • 步骤：
     1. 使用AES算法和对称密钥对加密文档进行解密。
     2. 生成解密文档的SHA-256散列值。
     3. 比较解密文档的散列值与原始散列值，验证完整性。

4. 技术实现

4.1 环境准备

pip install pycryptodome

4.2 Python代码示例

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

class SHA256_AES_Encryptor:
    def __init__(self, key):
        self.key = hashlib.sha256(key.encode()).digest()

    def generate_sha256(self, data):
        sha256 = hashlib.sha256()
        sha256.update(data)
        return sha256.hexdigest()

    def encrypt(self, data):
        iv = get_random_bytes(16)
        cipher = AES.new(self.key, AES.MODE_CBC, iv)
        encrypted_data = cipher.encrypt(pad(data, AES.block_size))
        sha256_hash = self.generate_sha256(data)
        return iv + encrypted_data, sha256_hash

    def decrypt(self, encrypted_data, sha256_hash):
        iv = encrypted_data[:16]
        cipher = AES.new(self.key, AES.MODE_CBC, iv)
        decrypted_data = unpad(cipher.decrypt(encrypted_data[16:]), AES.block_size)
        if self.generate_sha256(decrypted_data) == sha256_hash:
            return decrypted_data, True
        else:
            return decrypted_data, False

# 示例用法
key = "my_secret_key"
encryptor = SHA256_AES_Encryptor(key)

# 读取大文档
with open("large_document.txt", "rb") as f:
    original_data = f.read()

# 加密
encrypted_data, original_hash = encryptor.encrypt(original_data)
with open("encrypted_document.bin", "wb") as f:
    f.write(encrypted_data)

# 解密
with open("encrypted_document.bin", "rb") as f:
    encrypted_data = f.read()
decrypted_data, is_valid = encryptor.decrypt(encrypted_data, original_hash)

if is_valid:
    print("完整性验证通过，解密成功。")
else:
    print("完整性验证失败，解密数据可能被篡改。")

# 保存解密后的文档
with open("decrypted_document.txt", "wb") as f:
    f.write(decrypted_data)

5. 详细解释

5.1 SHA-256散列模块

generate_sha256 方法用于生成文档的SHA-256散列值。通过 hashlib 库实现，更新文档数据后返回其散列值。

5.2 对称加密模块

1. encrypt 方法：
   • 生成一个16字节的随机初始化向量（IV）。
   • 使用AES算法和密钥对文档数据进行加密，返回加密数据和SHA-256散列值。
2. decrypt 方法：
   • 提取IV并使用AES算法和密钥对加密数据进行解密。
   • 生成解密数据的SHA-256散列值，并与原始散列值比较，验证完整性。

5.3 完整性验证模块

通过比较解密数据的SHA-256散列值与原始散列值，验证数据在传输和存储过程中是否被篡改。

6. 预期效果

• 确保大文档在传输和存储过程中的保密性和完整性。
• 用户能够通过加密和解密功能安全地管理敏感数据。
• 验证数据的完整性，防止数据篡改。

此设计方案提供了一个基于SHA-256和AES的综合加密和完整性验证解决方案，适用于需要保护敏感数据的各种应用场景。