3. AES 加密算法详解：密钥长度、模式、填充方式及Python实现

在接口测试中，数据加密是家常便饭。AES 这词你肯定不陌生，但真正落地时，很多人容易栽跟头。我刚开始做加密测试时也踩过不少坑，今天就跟你聊聊 AES 的核心要点和实战代码。

3.1 AES 是什么？

AES，全称 Advanced Encryption Standard，是目前最主流的对称加密算法。所谓对称，就是加密和解密用同一个密钥。

它的优势很明显：速度快、安全性高、支持多种硬件加速。我们做接口测试时，后端接口常要求用 AES 对请求体或响应体进行加密。说白了，不懂 AES，这活就没法干。

3.2 密钥长度：128、192、256

AES 支持三种密钥长度：128位、192位、256位。长度越长，加密轮数越多，安全性也越高。

我这里简单对比下：

我在项目中遇到过个案例：客户要求用 256 位密钥，但服务端用的是 Java 默认的密钥长度限制。跑起来后一直报错，最后发现是因为未安装 JCE 无限制权限策略文件。嗯，这个坑你得留意。

3.3 工作模式：ECB、CBC、CFB、OFB、CTR

密钥长度定了，还得选工作模式。这部分很多人容易混淆，我按自己的理解给你捋一遍。

ECB（电子密码本模式）

最简单的模式，每个数据块独立加密。缺点也很明显：相同明文块会得到相同密文块，容易暴露数据规律。说白了，不安全。

我不建议在生产环境中用 ECB，除非你只是做简单的数据脱敏。

CBC（密码分组链接模式）

这是最常用的模式。每个明文块先与前一个密文块 XOR，再加密。这样相同明文块会得到不同密文。

CBC 模式需要一个初始向量 IV。IV 每次加密都应随机生成，且长度等于块大小（16字节）。如果你固定 IV，那安全性会大打折扣。

CFB（密码反馈模式）

将 AES 当作一个密钥流生成器，逐段加密。适合流式数据传输，比如网络协议加密。

OFB（输出反馈模式）

生成的密钥流与前一块无关，只与 AES 输出有关。优点是可以预先计算密钥流，提高吞吐。

但要注意，密钥流不能重用。我曾经见过有人复用 OFB 的密钥流，结果被攻击者轻松破解。

CTR（计数器模式）

用递增的计数器值作为输入，生成密钥流。CTR 模式同样支持并行计算，性能很好。我个人习惯用 CTR，因为它无需填充，且非常适合多线程环境。

下面这个图可以帮你理解几种模式的核心逻辑：

3.4 填充方式：为什么要用 PKCS7？

AES 是一个块加密算法，每次加密固定 16 字节。如果明文长度不是 16 的倍数，就得填充。

最常见的填充方式是 PKCS7。它根据缺少的字节数填充相同数值。比如缺 5 个字节，就填 5 个 0x05。这样解密时可以根据最后一个字节的值判断填充了多少。

如果明文正好是 16 的倍数呢？有些模式会额外填充一整个 16 字节块。这就是为啥你有时会发现解密后的数据多了 16 个字节 —— 记得去掉填充。

3.5 Python 实现：手把手写代码

理论说完了，来点实际的。下面是我写的一个 AES 工具类，支持 ECB、CBC 和 CTR 模式。

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
import base64

class AESUtil:
    def __init__(self, key, mode='CBC', iv=None):
        self.key = key.encode('utf-8')   # 密钥，需为16/24/32字节
        self.bs = 16                     # 块大小
        self.mode = mode.upper()
        
        # 初始化向量
        if iv:
            self.iv = iv.encode('utf-8')
        else:
            self.iv = None
            
    def encrypt(self, data):
        data = data.encode('utf-8')
        
        if self.mode == 'ECB':
            cipher = AES.new(self.key, AES.MODE_ECB)
        elif self.mode == 'CBC':
            # 如果没有提供IV，使用密钥前16字节作为IV（仅做演示，不安全）
            iv = self.iv if self.iv else self.key[:self.bs]
            cipher = AES.new(self.key, AES.MODE_CBC, iv=iv)
        elif self.mode == 'CTR':
            # CTR模式需用counter
            from Crypto.Util import Counter
            ctr = Counter.new(128)
            cipher = AES.new(self.key, AES.MODE_CTR, counter=ctr)
        else:
            raise ValueError(f"不支持的AES模式: {self.mode}")
        
        # ECB/CBC 需要填充，CTR不需要
        if self.mode in ('ECB', 'CBC'):
            padded_data = pad(data, self.bs)
        else:
            padded_data = data
            
        encrypted = cipher.encrypt(padded_data)
        return base64.b64encode(encrypted).decode()
    
    def decrypt(self, ciphertext):
        raw = base64.b64decode(ciphertext.encode())
        
        if self.mode == 'ECB':
            cipher = AES.new(self.key, AES.MODE_ECB)
        elif self.mode == 'CBC':
            iv = self.iv if self.iv else self.key[:self.bs]
            cipher = AES.new(self.key, AES.MODE_CBC, iv=iv)
        elif self.mode == 'CTR':
            from Crypto.Util import Counter
            ctr = Counter.new(128)
            cipher = AES.new(self.key, AES.MODE_CTR, counter=ctr)
        else:
            raise ValueError(f"不支持的AES模式: {self.mode}")
        
        decrypted = cipher.decrypt(raw)
        
        if self.mode in ('ECB', 'CBC'):
            try:
                decrypted = unpad(decrypted, self.bs)
            except ValueError:
                # 如果填充不正确，说明密钥或密文有问题
                raise ValueError("解密失败：填充数据无效")
        
        return decrypted.decode('utf-8')

# 使用示例
if __name__ == '__main__':
    key = 'thisisademokey!'   # 16字节密钥
    data = 'Hello, AES!'
    
    # ECB模式
    aes_ecb = AESUtil(key, 'ECB')
    encrypted = aes_ecb.encrypt(data)
    decrypted = aes_ecb.decrypt(encrypted)
    print(f'ECB: {encrypted} -> {decrypted}')
    
    # CBC模式
    aes_cbc = AESUtil(key, 'CBC', iv='initvector123456')
    encrypted = aes_cbc.encrypt(data)
    decrypted = aes_cbc.decrypt(encrypted)
    print(f'CBC: {encrypted} -> {decrypted}')
    
    # CTR模式
    aes_ctr = AESUtil(key, 'CTR')
    encrypted = aes_ctr.encrypt(data)
    decrypted = aes_ctr.decrypt(encrypted)
    print(f'CTR: {encrypted} -> {decrypted}')

3.6 常见问题与避坑指南

• 密钥长度不对：Python 的 pycryptodome 要求密钥必须是 16、24 或 32 字节。如果你传入的密钥长度不对，会直接报错。我习惯在创建对象时就校验长度。
• IV 不固定：CBC 模式每次加密都应生成随机 IV，不要硬编码。固定 IV 会让攻击者发现数据中的规律模式。
• 编码问题：加密后的结果是字节串，不要直接打印，最好用 base64 编码后再传输。解密时记得先解 base64。
• CTR 模式不用填充：如果你的模式是 CTR，别调用 pad 和 unpad，否则会多出字符。

你想想看，AES 其实并不复杂，关键是搞清楚每个参数的含义。我当初花了整整一个下午才跑通第一个加密测试，现在把这些经验整理出来，就是为了让你少走弯路。如果后续在集成测试中遇到加密问题，相信你能轻松应对了。