对称加密算法解析：DES、AES及其在`pycryptodome` 和 `crypto-js` 模块中的应用

📚 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, unpaddef 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_dataelif 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 osdef 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_dataelif 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_bytesdef aes_encrypt_with_salt(data, key, salt):key_with_salt = key + saltcipher = 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 scryptdef 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)

**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, unpaddef 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 SHA256def 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 SHA256def 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"

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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。