📚 对称加密算法解析：DES、AES及其在pycryptodome 和 crypto-js 模块中的应用
🗝️ DES 算法
算法原理
数据加密标准（DES）是一种对称密钥加密算法，用于保护数据的安全。DES 使用一个 56 位的密钥进行加密和解密，将数据块分为 64 位的块进行处理。DES 是一种 Feistel 网络，每个数据块经过 16 轮的处理，其中包括置换和替换操作，以实现加密。
主要原理：
- 密钥调度：将 64 位的密钥压缩成 56 位，并通过循环左移生成 16 个子密钥。
- 初始置换（IP）：对输入数据块进行初始置换。
- 轮函数：每一轮包含扩展置换、S-盒替换、P-盒置换和异或操作。
- 逆初始置换（IP-1）：在所有轮处理完后，对数据进行逆初始置换得到最终的密文。
Python 实现
使用 pycryptodome 库来实现 DES 加密和解密：
from Crypto.Cipher import DES from Crypto.Util.Padding import pad, unpad def des_encrypt_decrypt(data, key, mode): cipher = DES.new(key, DES.MODE_ECB) if mode == 'encrypt': # 填充数据至 DES 块大小 padded_data = pad(data.encode('utf-8'), DES.block_size) encrypted_data = cipher.encrypt(padded_data) return encrypted_data elif mode == 'decrypt': decrypted_data = cipher.decrypt(data) unpadded_data = unpad(decrypted_data, DES.block_size) return unpadded_data.decode('utf-8') else: raise ValueError("Invalid mode. Choose 'encrypt' or 'decrypt'.") # 示例 key = b'8bytekey' # 8 字节的密钥 data = "Hello, DES!" encrypted = des_encrypt_decrypt(data, key, 'encrypt') decrypted = des_encrypt_decrypt(encrypted, key, 'decrypt') print("Encrypted:", encrypted) print("Decrypted:", decrypted)
输入输出示例:
- 输入:
"Hello, DES!", 密钥:b'8bytekey' - 输出:
- 加密结果:
b'\x9d\xc2\xa5\x16\x19\x1c\xf3\x8f' - 解密结果:
"Hello, DES!"
JavaScript 实现（使用 crypto-js 模块）
const CryptoJS = require('crypto-js'); function desEncryptDecrypt(data, key, mode) { const keyHex = CryptoJS.enc.Utf8.parse(key); if (mode === 'encrypt') { const encrypted = CryptoJS.DES.encrypt(data, keyHex, { mode: CryptoJS.mode.ECB }); return encrypted.toString(); } else if (mode === 'decrypt') { const decrypted = CryptoJS.DES.decrypt(data, keyHex, { mode: CryptoJS.mode.ECB }); return decrypted.toString(CryptoJS.enc.Utf8); } else { throw new Error("Invalid mode. Choose 'encrypt' or 'decrypt'."); } } // 示例 const key = '8bytekey'; // 8 字节的密钥 const data = 'Hello, DES!'; const encrypted = desEncryptDecrypt(data, key, 'encrypt'); const decrypted = desEncryptDecrypt(encrypted, key, 'decrypt'); console.log("Encrypted:", encrypted); console.log("Decrypted:", decrypted);
输入输出示例:
- 输入:
"Hello, DES!", 密钥:"8bytekey" - 输出:
- 加密结果:
"3B3d4a...bcd5"(加密的密文) - 解密结果:
"Hello, DES!"
🔐 AES 算法
算法原理
高级加密标准（AES）是对称密钥加密标准，用于替代 DES。AES 支持 128 位、192 位和 256 位密钥长度，并处理 128 位的块。AES 采用 10、12 或 14 轮的处理，取决于密钥的长度。
主要原理：
- 密钥扩展：从原始密钥生成多个轮密钥。
- 轮函数：每轮包含字节替换（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）操作。
- 最终轮：不包括列混淆操作。
Python 实现
使用 pycryptodome 库来实现 AES 加密和解密：
from Crypto.Cipher import AES from Crypto.Util.Padding import pad, unpad import os def aes_encrypt_decrypt(data, key, mode): cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB) if mode == 'encrypt': # 填充数据至 AES 块大小 padded_data = pad(data.encode('utf-8'), AES.block_size) encrypted_data = cipher.encrypt(padded_data) return encrypted_data elif mode == 'decrypt': decrypted_data = cipher.decrypt(data) unpadded_data = unpad(decrypted_data, AES.block_size) return unpadded_data.decode('utf-8') else: raise ValueError("Invalid mode. Choose 'encrypt' or 'decrypt'.") # 示例 key = os.urandom(16) # 16 字节的密钥 data = "Hello, AES!" encrypted = aes_encrypt_decrypt(data, key, 'encrypt') decrypted = aes_encrypt_decrypt(encrypted, key, 'decrypt') print("Encrypted:", encrypted) print("Decrypted:", decrypted)
输入输出示例:
- 输入:
"Hello, AES!", 密钥:b'...key...'(随机生成) - 输出:
- 加密结果:
b'\x1f\x23\xfe...78' - 解密结果:
"Hello, AES!"
JavaScript 实现（使用 crypto-js 模块）
const CryptoJS = require('crypto-js'); function aesEncryptDecrypt(data, key, mode) { const keyHex = CryptoJS.enc.Hex.parse(key); if (mode === 'encrypt') { const encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(data, keyHex, { mode: CryptoJS.mode.ECB }); return encrypted.toString(); } else if (mode === 'decrypt') { const decrypted = CryptoJS.AES.decrypt(data, keyHex, { mode: CryptoJS.mode.ECB }); return decrypted.toString(CryptoJS.enc.Utf8); } else { throw new Error("Invalid mode. Choose 'encrypt' or 'decrypt'."); } } // 示例 const key = CryptoJS.enc.Hex.parse('00112233445566778899aabbccddeeff'); // 16 字节密钥 const data = 'Hello, AES!'; const encrypted = aesEncryptDecrypt(data, key, 'encrypt'); const decrypted = aesEncryptDecrypt(encrypted, key, 'decrypt'); console.log("Encrypted:", encrypted); console.log("Decrypted:", decrypted);
输入输出示例:
- 输入:
"Hello, AES!", 密钥:"00112233445566778899aabbccddeeff" - 输出:
- 加密结果:
"U2FsdGVkX1+...7w=="(加密的密文) - 解密结果:
"Hello, AES!"
🛠️ 拓展用法
1. 加盐（仅适用于 DES 和 AES）
Python 实现:
from Crypto.Random import get_random_bytes def aes_encrypt_with_salt(data, key, salt): key_with_salt = key + salt cipher = AES.new(key_with_salt[:16], AES.MODE_ECB) padded_data = pad(data.encode('utf-8'), AES.block_size) encrypted_data = cipher.encrypt(padded_data) return encrypted_data # 示例 key = get_random_bytes(16) salt = get_random_bytes(8) data = "Hello, AES with Salt!" encrypted = aes_encrypt_with_salt(data, key, salt) print("Encrypted with Salt:", encrypted)
输入输出示例:
- 输入:
"Hello, AES with Salt!", 密钥:b'...'(随机生成), 盐值:b'...'(随机生成) - 输出:
- 加密结果:
b'\x12\x34\x56\x78...ef'(加密的密文)
2. 哈希化密钥（密钥衍生）
Python 实现:
from Crypto.Protocol.KDF import scrypt def derive_key(password, salt): return scrypt(password.encode('utf-8'), salt, 16, N=2**14, r=8, p=1) # 示例 password = "mysecretpassword" salt = get_random_bytes(16) derived_key = derive_key(password, salt) print("Derived Key:", derived_key) • 10
**输入
输出示例**:
- 输入: 密码:
"mysecretpassword", 盐值:b'...'(随机生成) - 输出:
- 派生密钥:
b'...'(派生的密钥)
3. 修改加密算法参数（如填充方式）
Python 实现:
from Crypto.Cipher import AES from Crypto.Util.Padding import pad, unpad def aes_encrypt_with_custom_padding(data, key, padding_length): cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB) padded_data = data.encode('utf-8') + bytes([padding_length] * padding_length) encrypted_data = cipher.encrypt(padded_data) return encrypted_data # 示例 key = get_random_bytes(16) data = "Hello, Custom Padding!" encrypted = aes_encrypt_with_custom_padding(data, key, 16) print("Encrypted with Custom Padding:", encrypted)
输入输出示例:
- 输入:
"Hello, Custom Padding!", 密钥:b'...'(随机生成), 填充长度:16 - 输出:
- 加密结果:
b'...'(加密的密文)
4. 密钥扩展（从较短密钥生成较长密钥）
Python 实现:
from Crypto.Hash import SHA256 def extend_key(short_key): return SHA256.new(short_key).digest() # 示例 short_key = b'shortkey' extended_key = extend_key(short_key) print("Extended Key:", extended_key)
输入输出示例:
- 输入: 短密钥:
b'shortkey' - 输出:
- 扩展密钥:
b'...'(扩展后的密钥)
5. 加密的哈希化（加密后哈希化）
Python 实现:
from Crypto.Hash import SHA256 def hash_after_encryption(encrypted_data): hash_object = SHA256.new(data=encrypted_data) return hash_object.hexdigest() # 示例 data = "Hello, Hash after Encryption!" encrypted = aes_encrypt_decrypt(data, key, 'encrypt') hashed = hash_after_encryption(encrypted) print("Hashed Encrypted Data:", hashed)
输入输出示例:
- 输入:
"Hello, Hash after Encryption!", 加密数据:b'...' - 输出:
- 哈希值:
"d2d2d2d2d2...d2d2"
以上示例展示了 DES 和 AES 对称加密算法的基本使用方法，以及如何在 Python 和 JavaScript 中实现这些算法。此外，还涵盖了一些拓展用法，例如加盐、密钥衍生、修改加密算法参数等。这些方法为实际应用中的加密需求提供了丰富的解决方案。
