3、对称加密算法（AES）

3.1 AES 原理概述

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是美国联邦政府采用的一种区块加密标准，用于替代原先的 DES。AES 属于对称加密算法，即加密和解密使用相同的密钥。其核心原理基于 代换-置换网络（SPN），通过多轮重复的“字节代换”、“行移位”、“列混合”和“轮密钥加”操作，将明文数据彻底打乱，从而保证数据机密性。

📌 AES 加密流程（128位数据块）

3.2 密钥长度与轮数

AES 支持三种密钥长度，对应不同的安全强度和加密轮数：

AES 变体	密钥长度	轮数	分组大小
AES-128	128 位 (16 字节)	10 轮	128 位
AES-192	192 位 (24 字节)	12 轮	128 位
AES-256	256 位 (32 字节)	14 轮	128 位

🔑 密钥长度与安全强度对比

3.3 工作模式详解

AES 作为分组密码，需要配合工作模式来处理超过 128 位的数据。以下是五种常见模式：

📊 五种工作模式对比

模式	全称	特点	适用场景
ECB	电子密码本	简单、可并行，但相同明文块产生相同密文	❌ 不推荐用于加密数据
CBC	密码分组链接	每个明文块与前一个密文块异或，需 IV	✅ 文件加密、数据传输
CFB	密码反馈	将分组密码转为流密码，可处理任意长度	✅ 实时数据流
OFB	输出反馈	生成密钥流，错误不传播	✅ 噪声信道传输
CTR	计数器	使用计数器生成密钥流，可并行加密	✅ 高性能场景、磁盘加密

🔄 CBC 模式加密流程示意图

3.4 填充方式

由于 AES 是分组密码（每组 16 字节），当明文长度不是 16 的倍数时，需要进行填充。常见的填充方式如下：

🔹 PKCS7 / PKCS5：最常用，缺几个字节就填充几个值为该数量的字节。例如缺 3 字节，则填充 0x03 0x03 0x03。
🔹 Zero Padding：用 0x00 填充剩余字节。缺点是无法区分数据末尾的 0 与填充的 0。
🔹 ISO 10126：最后一个字节为填充字节数，其余填充随机字节（已废弃）。
🔹 ANSI X.923：填充 0x00，最后一个字节为填充字节数。
🔹 No Padding：要求明文长度必须是 16 的倍数，否则报错。

📦 PKCS7 填充示例（明文 10 字节，需填充 6 字节）

3.5 Python 代码示例（AES-CBC 加密与解密）

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

# 生成随机密钥和 IV
key = os.urandom(16)   # AES-128
iv  = os.urandom(16)

# 待加密数据
plaintext = b"Hello, IoT Security! AES-CBC Mode."

# 加密
cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
ciphertext = cipher.encrypt(pad(plaintext, AES.block_size))

print("密文 (hex):", ciphertext.hex())

# 解密
cipher_dec = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
decrypted = unpad(cipher_dec.decrypt(ciphertext), AES.block_size)

print("解密结果:", decrypted.decode())

💡 安全提示

❌ ECB 模式：相同明文块产生相同密文块，存在模式泄露风险，禁止用于加密敏感数据。
✅ 推荐使用 CBC 或 CTR 模式，并配合随机 IV（初始化向量）。
🔑 AES-256 提供最高安全等级，适用于物联网网关、云端数据存储等场景。
📦 填充方式建议使用 PKCS7，兼容性最好。

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