密碼學之DES/AES算法

時間 2020-01-16

原文原文鏈接

本文示例代碼詳見：https://github.com/52fhy/cryp...php

DES

DES全稱爲Data Encryption Standard，即數據加密標準，是一種使用密鑰加密的塊算法，1977年被美國聯邦政府的國家標準局肯定爲聯邦資料處理標準（FIPS），並受權在非密級政府通訊中使用，隨後該算法在國際上普遍流傳開來。html

DES使用簡介

使用DES須要設置加密內容、加密key、加密混淆向量iv、分組密碼模式、填充模式。前端

加密內容：
給定的加密的數據。若是數據長度不是 n*分組大小，則在其後使用 '0' 補齊。java

加密Key：
加密密鑰。若是密鑰長度不是該算法所可以支持的有效長度，須要填充。若是密鑰長度過長，須要截取。python

加密iv:
用於CBC, CFB, OFB模式，在ECB模式裏不是必須的。git

分組密碼模式：
常見的分組密碼模式有：CBC， OFB，CFB 和 ECB。github

填充模式：
Pkcs五、Pkcs7。算法

填充算法(Pkcs五、Pkcs7)

PKCS5Padding與PKCS7Padding基本上是能夠通用的。在PKCS5Padding中，明肯定義Block的大小是8位，而在PKCS7Padding定義中，對於塊的大小是不肯定的，能夠在1-255之間（塊長度超出255的尚待研究），填充值的算法都是同樣的：app

pad = k - (l mod k)  //k=塊大小，l=數據長度，若是k=8， l=9，則須要填充額外的7個byte的7

能夠得出：Pkcs5是Pkcs7的特例（Block的大小始終是8位）。當Block的大小始終是8位的時候，Pkcs5和Pkcs7是同樣的。（參考）dom

填充算法實現：

function pkcs5_pad($text) {
    $pad = 8 - (strlen($text) % 8);
    //$pad = 8 - (strlen($text) & 7); //也可使用這種方法
    return $text . str_repeat(chr($pad), $pad);
}

function pkcs7_pad ($text, $blocksize) {
    $pad = $blocksize - (strlen($text) % $blocksize);
    return $text . str_repeat(chr($pad), $pad);
}

反填充（去掉填充的字符）只須要根據解密後內容最後一個字符，就知道填充了什麼、填充了幾個，而後截取掉便可：

function _unpad($text){
    $pad = ord(substr($text, -1));//取最後一個字符的ASCII 碼值 
    if ($pad < 1 || $pad > strlen($text)) {
        $pad = 0;
    }
    return substr($text, 0, (strlen($text) - $pad));
}

Python

from Crypto.Cipher import AES

def pkcs7_pad(str):
    x = AES.block_size - (len(str) % AES.block_size)
    if x != 0:
        str = str + chr(x)*x
    return str
    
def _unpad(msg):
    paddingLen = ord(msg[len(msg)-1])
    return msg[0:-paddingLen]

加密解密步驟

加密步驟（以PHP的擴展mcrypt爲例）：
一、得到加密算法的分組大小（mcrypt_get_block_size）；
二、被加密的明文使用Pkcs5或Pkcs7填充；
三、加密密鑰key截取或填充至8位；
四、加密向量iv設置；
五、打開指定算法和模式對應的模塊，返回加密描述符td（mcrypt_module_open）；
六、使用td、key、iv初始化加密所需的緩衝區（mcrypt_generic_init）；
七、加密數據（mcrypt_generic）；
八、清理的加密描述符td的緩衝區（mcrypt_generic_deinit）；
九、釋放加密描述符td（mcrypt_module_close）；
十、返回base64_encode的加密結果，可選。

解密步驟（以PHP的擴展mcrypt爲例）：
一、base64_decode解碼，若是加密使用了base64_encode；
二、加密密鑰key截取或填充至8位；
三、加密向量iv設置；
四、打開指定算法和模式對應的模塊，返回加密描述符td（mcrypt_module_open）；
五、使用td、key、iv初始化加密所需的緩衝區（mcrypt_generic_init）；
六、解密數據（mdecrypt_generic）；
七、清理的加密描述符td的緩衝區（mcrypt_generic_deinit）；
八、釋放加密描述符td（mcrypt_module_close）；
九、使用Pkcs5去掉填充的內容，返回解密後的結果。

使用DES須要注意下面幾點：
1) 確保都使用DES + ECB；
2) 確保明文填充都使用的是Pkcs5或者Pkcs7，此時二者效果一致；
3) 加密key在DES長度必須是8字節(bytes)；若是不夠長必須填充，過長必須截取；
4) 加密向量iv與加密key有一樣的約定；
5) 注意加密結果建議都使用base64編碼。

只有以上都保持同樣，各個語言裏最終加密的密文才能保持一致，不然會出現：
1) 每次加密的密文不同，可是能解密；（iv隨機生成致使的）
2) 不一樣語言加密出來的密文不一致。

各類語言實現示例

PHP

示例：

Crypt_DES.php

<?php
include('Crypt_DES.php');
$des = new Crypt_DES();//默認是CBC模式
$plaintext = '123456';
$des->setKey('pwd');
//$des->setIV("\0\0\0\0\0\0\0\0");//默認填0，注意是雙引號
$encode = base64_encode($des->encrypt($plaintext));

echo $encode. PHP_EOL;
echo $des->decrypt(base64_decode($encode));

注意：Crypt_DES類裏默認是MCRYPT_MODE_CBC模式，且默認會把加密向量截取或填充至8位：

str_pad(substr($key, 0, 8), 8, chr(0))

也就是若是加密向量大於8位，只會截取前8位；少於則補0。
另外加密向量iv會被設置成\0\0\0\0\0\0\0\0，CRYPT_DES_MODE_ECB模式該變量則不是必須的。因此，若是使用了其它語言須要注意到這點。加密結果請務必base64_decode。

輸出：

pQSWMWLBGQg=
123456

PHP使用Mcrypt擴展

/**
 * DES/AES加密封裝
 *
 * 一、默認使用Pkcs7填充加密內容。
 * 二、默認加密向量是"\0\0\0\0\0\0\0\0"
 * 三、默認狀況下key作了處理：過長截取，太短填充
 *
 * @author 52fhy
 * @github https://github.com/52fhy/
 * @date 2017-5-13 17:08:57
 * Class Crypt
 */
class Crypt {

    private $key;//加密key：若是密鑰長度不是加解密算法可以支持的有效長度，會自動填充"\0"。過長則會截取
    private $iv;//加密向量：這裏默認填充"\0"。假設爲空，程序會隨機產生，致使加密的結果是不肯定的。ECB模式下會忽略該變量
    private $mode; //分組密碼模式：MCRYPT_MODE_modename 常量中的一個，或如下字符串中的一個："ecb"，"cbc"，"cfb"，"ofb"，"nofb" 和 "stream"。
    private $cipher; //算法名稱：MCRYPT_ciphername 常量中的一個，或者是字符串值的算法名稱。

    public function __construct($key, $cipher = MCRYPT_RIJNDAEL_128, $mode = MCRYPT_MODE_ECB, $iv = "\0\0\0\0\0\0\0"){
        $this->key = $key;
        $this->iv = $iv;
        $this->mode = $mode;
        $this->cipher = $cipher;
    }

    public function encrypt($input){
        $block_size = mcrypt_get_block_size($this->cipher, $this->mode);
        $key = $this->_pad0($this->key, $block_size);//將key填充至block大小
        $td = mcrypt_module_open($this->cipher, '', $this->mode, '');
        $iv = $this->iv ? $this->_pad0($this->iv, $block_size) : @mcrypt_create_iv (mcrypt_enc_get_iv_size($td), MCRYPT_RAND);

        $input = $this->pkcs7_pad($input, $block_size);

        //加密方法一：
//        @mcrypt_generic_init($td, $key, $iv);//ECB模式下，初始向量iv會被忽略
//        $data = mcrypt_generic($td, $input);
//        mcrypt_generic_deinit($td);
//        mcrypt_module_close($td);

        //加密方法二：
        $data = mcrypt_encrypt(
            $this->cipher,
            $key,
            $input,
            $this->mode,
            $iv  //ECB模式下，向量iv會被忽略
        );

        $data = base64_encode($data);//如需轉換二進制可改爲  bin2hex 轉換
        return $data;
    }

    public function decrypt($encrypted){
        $block_size = mcrypt_get_block_size($this->cipher, $this->mode);
        $key = $this->_pad0($this->key, $block_size);
        $td = mcrypt_module_open($this->cipher, '', $this->mode, '');
        $iv = $this->iv ? $this->_pad0($this->iv, $block_size) : @mcrypt_create_iv (mcrypt_enc_get_iv_size($td), MCRYPT_RAND);

        //解密方法一：
//        $encrypted = base64_decode($encrypted); //如需轉換二進制可改爲  bin2hex 轉換
//        @mcrypt_generic_init($td, $key, $iv);
//        $decrypted = mdecrypt_generic($td, $encrypted);
//        mcrypt_generic_deinit($td);
//        mcrypt_module_close($td);

        //解密方法二：
        $decrypted = mcrypt_decrypt(
            $this->cipher,
            $key,
            base64_decode($encrypted),
            $this->mode,
            $iv  //ECB模式下，向量iv會被忽略
        );

        return $this->_unpad($decrypted);
    }

    /**
     * 當使用「PKCS＃5」或「PKCS5Padding」別名引用該算法時，不該該假定支持8字節之外的塊大小。
     * @url http://www.users.zetnet.co.uk/hopwood/crypto/scan/cs.html#pad_PKCSPadding
     * @param $text
     * @return string
     */
    public  function pkcs5_pad($text) {
        $pad = 8 - (strlen($text) % 8);
        //$pad = 8 - (strlen($text) & 7); //也可使用這種方法
        return $text . str_repeat(chr($pad), $pad);
    }

    public  function pkcs7_pad ($text, $blocksize) {
        $pad = $blocksize - (strlen($text) % $blocksize);
        return $text . str_repeat(chr($pad), $pad);
    }

    public  function _unpad($text){
        $pad = ord(substr($text, -1));//取最後一個字符的ASCII 碼值 
        if ($pad < 1 || $pad > strlen($text)) {
            $pad = 0;
        }
        return substr($text, 0, (strlen($text) - $pad));
    }

    /**
     * 祕鑰key和向量iv填充算法：大於block_size則截取，小於則填充"\0"
     * @param $str
     * @param $block_size
     * @return string
     */
    private  function _pad0($str, $block_size) {
        return str_pad(substr($str, 0, $block_size), $block_size, chr(0)); //chr(0) 與 "\0" 等效,由於\0轉義後表示空字符，與ASCII表裏的0表明的字符同樣
    }
}

$key = 'pwd';
$des = new Crypt($key, MCRYPT_DES, MCRYPT_MODE_CBC);//DES
echo $ret = $des->encrypt("123456").PHP_EOL;//加密字符串，結果默認已經base64了
echo $ret = $des->decrypt($ret);//解密結果

使用MCRYPT_MODE_CBC + Pkcs7。注意和其它語言聯調的時候須要注意加密key已通過處理、加密向量默認值的設置。

輸出：

pQSWMWLBGQg=
123456

JS

CryptoJS

//字符串重複
function str_repeat(target, n) {return (new Array(n + 1)).join(target);}

//使用"\0"填充祕鑰或向量
function _pad0(str, block_size) {
    if(str.length >= block_size){
        return str.substr(0, block_size);
    }else{
        return str + str_repeat("\0", block_size - (str.length % block_size));
    }
}

function des_encrypt(data,key,iv){//加密
    var key  = CryptoJS.enc.Utf8.parse(key);
    var iv   = CryptoJS.enc.Utf8.parse(iv);
    var encrypted = CryptoJS.DES.encrypt(data,key,
            {
                iv:iv,
                mode:CryptoJS.mode.CBC,
                padding:CryptoJS.pad.Pkcs7
            });
    return encrypted.toString();
}

function des_decrypt(encrypted,key,iv){//解密
    var key  = CryptoJS.enc.Utf8.parse(key);
    var iv   = CryptoJS.enc.Utf8.parse(iv);
    var decrypted = CryptoJS.DES.decrypt(encrypted,key,
            {
                iv:iv,
                mode:CryptoJS.mode.CBC,
                padding:CryptoJS.pad.Pkcs7
            });
    return decrypted.toString(CryptoJS.enc.Utf8);
}

var key  = _pad0("pwd", 8);
var iv   = _pad0("\0", 8);
encrypted = des_encrypt("123456",key,iv);//pQSWMWLBGQg=
decryptedStr = des_decrypt(encrypted,key,iv);//123456

Python

環境：Python 2.7.5，Linux CentOS7

須要先安裝：

pip install pycrypto
pip install Crypto

# -*- coding=utf-8-*-
from Crypto.Cipher import DES
import base64

"""
des cbc加密算法
padding : PKCS5
"""

class DESUtil:

    __BLOCK_SIZE_8 = BLOCK_SIZE_8 = DES.block_size
    __IV = "\0\0\0\0\0\0\0\0" # __IV = chr(0)*8

    @staticmethod
    def encryt(str, key):
        cipher = DES.new(key, DES.MODE_CBC, DESUtil.__IV)
        x = DESUtil.__BLOCK_SIZE_8 - (len(str) % DESUtil.__BLOCK_SIZE_8)
        if x != 0:
            str = str + chr(x)*x
        msg = cipher.encrypt(str)
        # msg = base64.urlsafe_b64encode(msg).replace('=', '')
        msg = base64.b64encode(msg)
        return msg

    @staticmethod
    def decrypt(enStr, key):
        cipher = DES.new(key, DES.MODE_CBC,DESUtil.__IV)
        # enStr += (len(enStr) % 4)*"="
        # decryptByts = base64.urlsafe_b64decode(enStr)
        decryptByts = base64.b64decode(enStr)
        msg = cipher.decrypt(decryptByts)
        paddingLen = ord(msg[len(msg)-1])
        return msg[0:-paddingLen]

if __name__ == "__main__":
    key = "12345678"
    res = DESUtil.encryt("123456", key)
    print res
    print DESUtil.decrypt(res, key)

輸出：

ED5wLgc3Mnw=
123456

若是加密密鑰小於8位，須要填充"\0"，示例：

key = "pwd" + chr(0)*5

修改運行後輸出：

pQSWMWLBGQg=
123456

AES

AES簡介

AES（Advanced Encryption Standard），在密碼學中又稱Rijndael加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。這個標準用來替代原先的DES，已經被多方分析且廣爲全世界所使用。通過五年的甄選流程，高級加密標準由美國國家標準與技術研究院（NIST）於2001年11月26日發佈於FIPS PUB 197，並在2002年5月26日成爲有效的標準。2006年，高級加密標準已然成爲對稱密鑰加密中最流行的算法之一。

ECB模式是將明文按照固定大小的塊進行加密的，塊大小不足則進行填充。ECB模式沒有用到向量。

使用AES須要注意下面幾點：
1) 確保都使用AES_128 + ECB；
2) 確保明文填充都使用的是Pkcs7；
3) 加密key在AES_128長度必須是16, 24, 或者 32 字節(bytes)；若是不夠長必須填充，過長必須截取，建議直接md5；
4) 加密向量iv與加密key有一樣的約定，但在ECB能夠忽略該值（用不到）。
5) 注意加密結果建議都使用base64編碼。

各類語言實現示例

PHP

示例：

PHP使用Mcrypt擴展

這裏仍是使用上文的Crypt類。

$key = 'pwd';
$des = new Crypt($key);//AES，默認是MCRYPT_RIJNDAEL_128+MCRYPT_MODE_ECB
echo $ret = $des->encrypt("123456").PHP_EOL;//加密字符串，結果默認已經base64了
echo $ret = $des->decrypt($ret);//解密結果
echo PHP_EOL.'--------------'.PHP_EOL;

$key = '1234567812345678';
$des = new Crypt($key);//AES，默認是MCRYPT_RIJNDAEL_128+MCRYPT_MODE_ECB
echo $ret = $des->encrypt("123456").PHP_EOL;//加密字符串，結果默認已經base64了
echo $ret = $des->decrypt($ret);//解密結果

使用ECB + Pkcs7。和其它語言聯調的時候須要注意加密key已通過處理、加密向量默認值的設置。

輸出結果：

3+WQyhMavuxzPzy40PZhJg==
123456
--------------
mdSm0RmB+xAKrTah3DG31A==
123456

本例裏當key長度不夠時，封裝的類已經自動幫咱們填充好了足夠長度；當key長度等於16時，key的值不會改變。

JS

CryptoJS

和DES代碼基本同樣，只要把DES改成AES便可，CBC改成ECB，塊大小改成16。

//字符串重複
function str_repeat(target, n) {return (new Array(n + 1)).join(target);}

//使用"\0"填充祕鑰或向量
function _pad0(str, block_size) {
    if(str.length >= block_size){
        return str.substr(0, block_size);
    }else{
        return str + str_repeat("\0", block_size - (str.length % block_size));
    }
}

function aes_encrypt(data,key,iv){//加密
    var key  = CryptoJS.enc.Utf8.parse(key);
    var iv   = CryptoJS.enc.Utf8.parse(iv);
    var encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(data,key,
            {
                iv:iv,
                mode:CryptoJS.mode.ECB,
                padding:CryptoJS.pad.Pkcs7
            });
    return encrypted.toString();
}

function aes_decrypt(encrypted,key,iv){//解密
    var key  = CryptoJS.enc.Utf8.parse(key);
    var iv   = CryptoJS.enc.Utf8.parse(iv);
    var decrypted = CryptoJS.AES.decrypt(encrypted,key,
            {
                iv:iv,
                mode:CryptoJS.mode.ECB,
                padding:CryptoJS.pad.Pkcs7
            });
    return decrypted.toString(CryptoJS.enc.Utf8);
}

var key  = _pad0("pwd", 16);
var iv   = _pad0("\0", 16);
encrypted = aes_encrypt("123456",key,iv);//3+WQyhMavuxzPzy40PZhJg==
decryptedStr = aes_decrypt(encrypted,key,iv);//123456

ECB模式沒有用到向量。本例若是改成CBC，只須要把ECB改成CBC便可，加密結果仍是：3+WQyhMavuxzPzy40PZhJg==。換了加密向量則不同了。

Python

環境：Python 2.7.5，Linux CentOS7

須要先安裝：

pip install pycrypto
pip install Crypto

# -*- coding=utf-8-*-

from Crypto.Cipher import AES
import os
from Crypto import Random
import base64

"""
aes加密算法
padding : PKCS7
"""

class AESUtil:

    __BLOCK_SIZE_16 = BLOCK_SIZE_16 = AES.block_size

    @staticmethod
    def encryt(str, key):
        #cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB,b'0000000000000000') #第三個參數是加密向量iv，ECB模式不須要
        cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
        x = AESUtil.__BLOCK_SIZE_16 - (len(str) % AESUtil.__BLOCK_SIZE_16)
        if x != 0:
            str = str + chr(x)*x
        msg = cipher.encrypt(str)
        # msg = base64.urlsafe_b64encode(msg).replace('=', '')
        msg = base64.b64encode(msg)
        return msg

    @staticmethod
    def decrypt(enStr, key):
        cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
        # enStr += (len(enStr) % 4)*"="
        # decryptByts = base64.urlsafe_b64decode(enStr)
        decryptByts = base64.b64decode(enStr)
        msg = cipher.decrypt(decryptByts)
        paddingLen = ord(msg[len(msg)-1])
        return msg[0:-paddingLen]

if __name__ == "__main__":
    key = "1234567812345678"
    res = AESUtil.encryt("123456", key)
    print(res)
    print(AESUtil.decrypt(res, key))

輸出：

mdSm0RmB+xAKrTah3DG31A==
123456

這裏使用了AES+ECB+PKCS7Padding方法。加密結果和PHP是一致的。

服務端/客戶端加密選型

DES/CBC/PKCS7Padding

此時加密塊大小都是8字節，PKCS5和PKCS7效果同樣。各端實現的時候須要注意：
1) 使用相同的加密key，注意長度必須是8字節；
2) 使用相同的向量iv，建議設置成"\0\0\0\0\0\0\0"；
3) 必須實現相同的PKCS7填充算法和反填充算法；
4) 加密結果都使用base64編碼。

AES/ECB/PKCS7Padding

使用AES_128加密塊大小都是16字節，PKCS5沒法使用，請使用PKCS7。各端實現的時候須要注意：
1) 使用相同的加密key，注意長度必須是16, 24, 或者 32 字節(bytes)；若是不夠長必須填充，過長必須截取，建議直接md5；
2) 使用相同的向量iv，建議設置成"\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0"；能夠和加密key同樣使用md5後的值；ECB模式下能夠忽略該項；
3) 必須實現相同的PKCS7填充算法和反填充算法；
4) 加密結果都使用base64編碼。

AES/CBC/PKCS7Padding

和AES/ECB/PKCS7Padding基本一致，但因爲CBC模式用到向量，注意向量長度最少16字節。若是長度不夠，請填充"0"。建議隨機生成，而後base64後傳給前端。

經常使用庫介紹

Mcrypt

Mcrypt 是一個功能強大的加密算法擴展庫。

Mcrypt 庫提供了對多種塊算法的支持，包括：DES，TripleDES，Blowfish （默認）， 3-WAY，SAFER-SK64，SAFER-SK128，TWOFISH，TEA，RC2 以及 GOST，而且支持 CBC，OFB，CFB 和 ECB 密碼模式。

PHP裏經過啓用 Mcrypt 擴展便可使用（mcrypt_開頭的系列函數）。注意的是，要使用該擴展，必須首先安裝mcrypt標準類庫，而 mcrypt 標準類庫依賴 libmcrypt 和 mhash 兩個庫。從 PHP 5.0.0 開始，須要使用 libcrypt 2.5.6 或更高版本。

Crypto-JS

https://github.com/brix/crypt...

CryptoJS (crypto.js) 爲 JavaScript 提供了各類各樣的加密算法。目前已支持的算法包括：

MD5
SHA-1
SHA-256
AES
Rabbit
MARC4
HMAC
- HMAC-MD5
- HMAC-SHA1
- HMAC-SHA256
PBKDF2

PyCrypto

https://github.com/dlitz/pycr...

PyCrypto是使用Python編寫的加密工具包。支持全部主流算法。

hashlib

Python的hashlib提供了常見的摘要算法，如MD5，SHA1等等。

Crypt_DES.php

https://my.oschina.net/u/9956...

經過純PHP實現的DES加密。示例：

<?php

include('Crypt_DES.php');

$des = new Crypt_DES();
$des->setKey('abcdefgh');
$plaintext = 'test';
echo $des->decrypt($des->encrypt($plaintext));

在線工具

一、在線加密解密
http://tool.oschina.net/encry...

資料

一、Java 加解密技術系列之 DES - 紫羽風的博客 - 博客頻道 - CSDN.NET
http://blog.csdn.net/happylee...
二、一個很好的PHP加密算法 DES加密類_PHP基礎_UncleToo - 專一PHP技術推廣
http://www.uncletoo.com/html/...
三、關於CryptoJS中md5加密以及aes加密的隨筆 - 李盈盈的小博客 - 博客園
http://www.cnblogs.com/liying...
四、關於PKCS5Padding與PKCS7Padding的區別 - 在路上... - 博客園
http://www.cnblogs.com/midea0...
五、AES ECB加密實現（java/php/python） - sevenlater的博客 - 博客頻道 - CSDN.NET
http://blog.csdn.net/sevenlat...

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