Python实现AES加密解密：ECB/CBC模式与PKCS7填充详解

AES加密模式概述

一、前言

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是目前广泛使用的对称加密算法，旨在替代已不再安全的DES算法。与之前文章介绍的RSA非对称加密不同，AES仅使用单一密钥，该密钥同时承担加密和解密的任务。

AES作为基础算法，支持多种工作模式，主要包括ECB、CBC、CFB和OFB（此外还有CTR模式）。不同模式在数据处理方式和安全性上各有特点。

1. ECB模式（电子密码本模式：Electronic Codebook）

ECB是最基础的块加密模式。加密时，先将明文按块大小（如AES为128位）分割成若干块，随后使用相同的密钥对每一块独立进行加密；解密过程则相反，逐块解密后重组数据。

2. CBC模式（密码分组链接：Cipher-block chaining）

在CBC模式中，每个待加密的明文块在加密前会先与前一个密文块进行异或运算，然后再通过加密器处理。对于第一个明文块，则与一个初始化向量（IV）进行异或运算，以此实现块之间的链接。

3. CFB模式（密文反馈：Cipher feedback）

与ECB和CBC仅处理块数据不同，CFB模式能够将块密文转换为流密文，从而支持对任意长度数据的加密，适用于流式数据传输场景。

4. OFB模式（输出反馈：Output feedback）

OFB模式首先利用块加密器生成密钥流，然后将密钥流与明文流异或得到密文流。解密时，同样生成相同的密钥流，并与密文流异或恢复明文。由于异或操作的对称性，加密与解密流程完全一致。

Python代码实现与解析

二、代码实现与解析

以下展示具体的Python实现代码：

from Crypto.Cipher import AES
import base64

class AEScoder():
  def __init__(self):
    self.__encryptKey = "iEpSxImA0vpMUAabsjJWug=="
    self.__key = base64.b64decode(self.__encryptKey)
  # AES加密
  def encrypt(self,data):
    BS = 16
    pad = lambda s: s + (BS - len(s) % BS) * chr(BS - len(s) % BS)
    cipher = AES.new(self.__key, AES.MODE_ECB)
    encrData = cipher.encrypt(pad(data))
    #encrData = base64.b64encode(encrData)
    return encrData
  # AES解密
  def decrypt(self,encrData):
    #encrData = base64.b64decode(encrData)
    #unpad = lambda s: s[0:-s[len(s)-1]]
    unpad = lambda s: s[0:-s[-1]]
    cipher = AES.new(self.__key, AES.MODE_ECB)
    decrData = unpad(cipher.decrypt(encrData))
    return decrData.decode('utf-8')

简析1：代码采用面向对象设计，创建了一个AEScoder类。为简化示例，密钥被硬编码为类的属性。若需动态修改密钥，可将密钥作为参数传入构造函数或方法中。

简析2：示例默认使用ECB模式，这是AES最简单且常见的模式。若需使用CBC模式，需额外提供初始化向量（iv），例如：cipher = AES.new(self.__key, AES.MODE_CBC, iv)。

简析3：代码中包含pad（填充）和unpad（去填充）函数。由于AES要求加密文本长度必须是密钥字节数的整数倍，此处encryptKey经base64解码后长度为16字节，因此填充逻辑需确保数据长度符合该要求。

简析3拓展：AES标准定义了三种密钥长度，分别对应AES-128、AES-192和AES-256，密钥长度分别为128位（16字节）、192位（24字节）和256位（32字节）。密钥越长，安全性越高，但加解密耗时也相应增加。默认使用的AES-128在大多数场景下已足够安全。

PKCS7填充算法详解

填充算法拓展

文中使用的填充算法名为pkcs7padding。

其原理简单：缺几个字节就填充几个字节的值，每个填充字节的值等于需要填充的字节数。

例如，若需填充8个字节，则每个字节的值为0x08；若需填充7个字节，则每个字节的值为0x07，依此类推。

即使明文长度恰好是Block Size的整数倍，仍需填充一个完整的Block Size长度的数据。这样做的优势在于，解密时只需检查最后一个字节的值，即可准确知道填充了多少字节，从而正确去除填充。

实际上，Java中实现AES加密的默认模式为Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding")。PKCS#5是PKCS#7的一个子集：PKCS#5仅针对8字节（Block Size=8）进行填充，填充值为0x01至0x08；而PKCS#7支持Block Size范围为1至255字节。由于AES没有64位（8字节）的块，若采用PKCS5，实质上等同于使用PKCS7。

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