python实现AES加密解密

1. 前言
AES是一种对称加密，所谓对称加密就是加密与解密使用的秘钥是一个。
之前写过一片关于python AES加密解密的文章，但是这里面细节实在很多，这次我从 参数类型、加密模式、编码模式、补全模式、等等方面 系统的说明如何使用AES加密解密。
看文章不能急功近利，为了解决一个问题临时查到一个代码套用进去，或许可以迅速解决问题，但是遇到新的问题还需要再次查询，这种我认为还是比较浪费时间的。我相信看完认真看完这篇文章的你会大有收获。
2. 环境安装
pip uninstall crypto
pip uninstall pycryptodome
pip install pycryptodome

前面两个卸载命令是为了防止一些安装环境问题，具体请看文章
3.加密模式
AES 加密最常用的模式就是 ECB模式 和 CBC 模式，当然还有很多其它模式，他们都属于AES加密。ECB模式和CBC 模式俩者区别就是 ECB 不需要 iv偏移量，而CBC需要。
4.AES加密使用参数
以下参数都是在python中使用的。
参数作用及数据类型秘钥加密的时候用秘钥，解密的时候需要同样的秘钥才能解出来; 数据类型为bytes明文需要加密的参数; 数据类型为bytes模式aes 加密常用的有 ECB 和 CBC 模式（我只用了这两个模式，还有其他模式）;数据类型为aes类内部的枚举量iv 偏移量这个参数在 ECB 模式下不需要，在 CBC 模式下需要；数据类型为bytes
下面简单的一个例子ECB模式加密解密 :
from Crypto.Cipher import AES

password = b'1234567812345678' #秘钥，b就是表示为bytes类型
text = b'abcdefghijklmnhi' #需要加密的内容，bytes类型
aes = AES.new(password,AES.MODE_ECB) #创建一个aes对象
# AES.MODE_ECB 表示模式是ECB模式
en_text = aes.encrypt(text) #加密明文
print("密文：",en_text) #加密明文，bytes类型
den_text = aes.decrypt(en_text) # 解密密文
print("明文：",den_text)

输出:
密文： b'WU\xe0\x0e\xa3\x87\x12\x95\\]O\xd7\xe3\xd4 )'
明文： b'abcdefghijklmnhi'

以上是针对ECB模式的加密解密，从这个例子中可以看出参数中有几个限制。
秘钥必须为16字节或者16字节的倍数的字节型数据。明文必须为16字节或者16字节的倍数的字节型数据，如果不够16字节需要进行补全，关于补全规则，后面会在补全模式中具体介绍。
通过CBC模式例子：
from Crypto.Cipher import AES
password = b'1234567812345678' #秘钥，b就是表示为bytes类型
iv = b'1234567812345678' # iv偏移量，bytes类型
text = b'abcdefghijklmnhi' #需要加密的内容，bytes类型
aes = AES.new(password,AES.MODE_CBC,iv) #创建一个aes对象
# AES.MODE_CBC 表示模式是CBC模式
en_text = aes.encrypt(text)
print("密文：",en_text) #加密明文，bytes类型
aes = AES.new(password,AES.MODE_CBC,iv) #CBC模式下解密需要重新创建一个aes对象
den_text = aes.decrypt(en_text)
print("明文：",den_text)

输出：
密文： b'\x93\x8bN!\xe7~>\xb0M\xba\x91\xab74;0'
明文： b'abcdefghijklmnhi'

通过上面CBC模式的例子，可以简单看出CBC模式与ECB模式的区别：AES.new() 解密和加密重新生成了aes对象，加密和解密不能调用同一个aes对象，否则会报错TypeError: decrypt() cannot be called after encrypt()。
总结：
1. 在Python中进行AES加密解密时，所传入的密文、明文、秘钥、iv偏移量、都需要是bytes（字节型）数据。python 在构建aes对象时也只能接受bytes类型数据。
2.当秘钥，iv偏移量，待加密的明文，字节长度不够16字节或者16字节倍数的时候需要进行补全。
3. CBC模式需要重新生成AES对象，为了防止这类错误，我写代码无论是什么模式都重新生成AES对象。
5. 编码模式
前面说了，python中的 AES 加密解密，只能接受字节型(bytes)数据。而我们常见的 待加密的明文可能是中文，或者待解密的密文经过base64编码的，这种都需要先进行编码或者解码，然后才能用AES进行加密或解密。反正无论是什么情况，在python使用AES进行加密或者解密时，都需要先转换成bytes型数据。
我们以ECB模式针对中文明文进行加密解密举例：
from Crypto.Cipher import AES

password = b'1234567812345678' #秘钥，b就是表示为bytes类型
text = "好好学习天天向上".encode('gbk') #gbk编码，是1个中文字符对应2个字节，8个中文正好16字节
aes = AES.new(password,AES.MODE_ECB) #创建一个aes对象
# AES.MODE_ECB 表示模式是ECB模式
print(len(text))
en_text = aes.encrypt(text) #加密明文
print("密文：",en_text) #加密明文，bytes类型
den_text = aes.decrypt(en_text) # 解密密文
print("明文：",den_text.decode("gbk")) # 解密后同样需要进行解码

输出：
16
密文： b'=\xdd8k\x86\xed\xec\x17\x1f\xf7\xb2\x84~\x02\xc6C'
明文： 好好学习天天向上

对于中文明文，我们可以使用encode()函数进行编码，将字符串转换成bytes类型数据，而这里我选择gbk编码，是为了正好能满足16字节，utf8编码是一个中文字符对应3个字节。这里为了举例所以才选择使用gbk编码。
在解密后，同样是需要decode()函数进行解码的，将字节型数据转换回中文字符（字符串类型）。
现在我们来看另外一种情况，密文是经过base64编码的(这种也是非常常见的，很多网站也是这样使用的)，我们用 http://tool.chacuo.net/cryptaes/ 这个网站举例子：

模式：ECB
密码: 1234567812345678
字符集：gbk编码
输出: base64
我们来写一个python 进行aes解密：
from Crypto.Cipher import AES
import base64

password = b'1234567812345678'
aes = AES.new(password,AES.MODE_ECB)
en_text = b"Pd04a4bt7Bcf97KEfgLGQw=="
en_text = base64.decodebytes(en_text) #将进行base64解码，返回值依然是bytes
den_text = aes.decrypt(en_text)
print("明文：",den_text.decode("gbk"))

输出：
明文： 好好学习天天向上

这里的 b"Pd04a4bt7Bcf97KEfgLGQw==" 是一个bytes数据， 如果你传递的是一个字符串，你可以直接使用 encode()函数 将其转换为 bytes类型数据。
from Crypto.Cipher import AES
import base64

password = b'1234567812345678'
aes = AES.new(password,AES.MODE_ECB)
en_text = "Pd04a4bt7Bcf97KEfgLGQw==".encode() #将字符串转换成bytes数据
en_text = base64.decodebytes(en_text) #将进行base64解码，参数为bytes数据,返回值依然是bytes
den_text = aes.decrypt(en_text)
print("明文：",den_text.decode("gbk"))

因为无论是 utf8 和 gbk 编码，针对英文字符编码都是一个字符对应一个字节，所以这里**encode()**函数主要作用就是转换成bytes数据，然后使用base64进行解码。
hexstr，base64编码解码例子：
import base64
import binascii
data = "hello".encode()
data = base64.b64encode(data)
print("base64编码:",data)
data = base64.b64decode(data)
print("base64解码:",data)
data = binascii.b2a_hex(data)
print("hexstr编码:",data)
data = binascii.a2b_hex(data)
print("hexstr解码:",data)

输出：
base64编码: b'aGVsbG8='
base64解码: b'hello'
hexstr编码: b'68656c6c6f'
hexstr解码: b'hello'

这里要说明一下，有一些AES加密，所用的秘钥，或者IV向量是通过 base64编码或者 hexstr编码后的。针对这种，首先要进行的就是进行解码，都转换回 bytes数据，再次强调，python实现 AES加密解密传递的参数都是 bytes(字节型) 数据。
另外，我记得之前的 pycryptodome库，传递IV向量时，和明文时可以直接使用字符串类型数据，不过现在新的版本都必须为 字节型数据了，可能是为了统一好记。
6. 填充模式
前面我使用秘钥，还有明文，包括IV向量，都是固定16字节，也就是数据块对齐了。而填充模式就是为了解决数据块不对齐的问题，使用什么字符进行填充就对应着不同的填充模式
AES补全模式常见有以下几种：
模式意义ZeroPadding用b’\x00’进行填充，这里的0可不是字符串0，而是字节型数据的b’\x00’PKCS7Padding当需要N个数据才能对齐时，填充字节型数据为N、并且填充N个PKCS5Padding与PKCS7Padding相同，在AES加密解密填充方面我没感到什么区别no padding当为16字节数据时候，可以不进行填充，而不够16字节数据时同ZeroPadding一样
这里有一个细节问题，我发现很多文章说的也是不对的。
ZeroPadding填充模式的意义：很多文章解释是当为16字节倍数时就不填充，然后当不够16字节倍数时再用字节数据0填充，这个解释是不对的，这解释应该是no padding的，而ZeroPadding是不管数据是否对其，都进行填充，直到填充到下一次对齐为止，也就是说即使你够了16字节数据，它会继续填充16字节的0，然后一共数据就是32字节。
这里可能会有一个疑问，为什么是16字节 ，其实这个是 数据块的大小，网站上也有对应设置，网站上对应的叫128位，也就是16字节对齐，当然也有192位(24字节)，256位(32字节)。
本文在这个解释之后，后面就说数据块对齐问题了，而不会再说16字节倍数了。
除了no padding 填充模式，剩下的填充模式都会填充到下一次数据块对齐为止，而不会出现不填充的问题。
PKCS7Padding和 PKCS5Padding需要填充字节对应表：
明文长度值（mod 16）添加的填充字节数每个填充字节的值0160x101150x0F2140x0E3130x0D4120x0C5110x0B6100x0A790x09880x08970x071060x061150x051240x041330x031420x021510x01
这里可以看到，当明文长度值已经对齐时（mod 16 = 0），还是需要进行填充，并且填充16个字节值为0x10。ZeroPadding填充逻辑也是类似的，只不过填充的字节值都为0x00，在python表示成 b'\x00'。
填充完毕后，就可以使用 AES进行加密解密了，当然解密后，也需要剔除填充的数据，无奈Python这些步骤需要自己实现（如果有这样的库还请评论指出）。
7.python的完整实现
from Crypto.Cipher import AES
import base64
import binascii

# 数据类
class MData():
def __init__(self, data = b"",characterSet='utf-8'):
# data肯定为bytes
self.data = data
self.characterSet = characterSet

def saveData(self,FileName):
with open(FileName,'wb') as f:
f.write(self.data)

def fromString(self,data):
self.data = data.encode(self.characterSet)
return self.data

def fromBase64(self,data):
self.data = base64.b64decode(data.encode(self.characterSet))
return self.data

def fromHexStr(self,data):
self.data = binascii.a2b_hex(data)
return self.data

def toString(self):
return self.data.decode(self.characterSet)

def toBase64(self):
return base64.b64encode(self.data).decode()

def toHexStr(self):
return binascii.b2a_hex(self.data).decode()

def toBytes(self):
return self.data

def __str__(self):
try:
return self.toString()
except Exception:
return self.toBase64()

### 封装类
class AEScryptor():
def __init__(self,key,mode,iv = '',paddingMode= "NoPadding",characterSet ="utf-8"):
'''
构建一个AES对象
key: 秘钥，字节型数据
mode: 使用模式，只提供两种，AES.MODE_CBC, AES.MODE_ECB
iv： iv偏移量，字节型数据
paddingMode: 填充模式，默认为NoPadding, 可选NoPadding，ZeroPadding，PKCS5Padding，PKCS7Padding
characterSet: 字符集编码
'''
self.key = key
self.mode = mode
self.iv = iv
self.characterSet = characterSet
self.paddingMode = paddingMode
self.data = ""

def __ZeroPadding(self,data):
data += b'\x00'
while len(data) % 16 != 0:
data += b'\x00'
return data

def __StripZeroPadding(self,data):
data = data[:-1]
while len(data) % 16 != 0:
data = data.rstrip(b'\x00')
if data[-1] != b"\x00":
break
return data

def __PKCS5_7Padding(self,data):
needSize = 16-len(data) % 16
if needSize == 0:
needSize = 16
return data + needSize.to_bytes(1,'little')*needSize

def __StripPKCS5_7Padding(self,data):
paddingSize = data[-1]
return data.rstrip(paddingSize.to_bytes(1,'little'))

def __paddingData(self,data):
if self.paddingMode == "NoPadding":
if len(data) % 16 == 0:
return data
else:
return self.__ZeroPadding(data)
elif self.paddingMode == "ZeroPadding":
return self.__ZeroPadding(data)
elif self.paddingMode == "PKCS5Padding" or self.paddingMode == "PKCS7Padding":
return self.__PKCS5_7Padding(data)
else:
print("不支持Padding")

def __stripPaddingData(self,data):
if self.paddingMode == "NoPadding":
return self.__StripZeroPadding(data)
elif self.paddingMode == "ZeroPadding":
return self.__StripZeroPadding(data)

elif self.paddingMode == "PKCS5Padding" or self.paddingMode == "PKCS7Padding":
return self.__StripPKCS5_7Padding(data)
else:
print("不支持Padding")

def setCharacterSet(self,characterSet):
'''
设置字符集编码
characterSet: 字符集编码
'''
self.characterSet = characterSet

def setPaddingMode(self,mode):
'''
设置填充模式
mode: 可选NoPadding，ZeroPadding，PKCS5Padding，PKCS7Padding
'''
self.paddingMode = mode

def decryptFromBase64(self,entext):
'''
从base64编码字符串编码进行AES解密
entext: 数据类型str
'''
mData = MData(characterSet=self.characterSet)
self.data = mData.fromBase64(entext)
return self.__decrypt()

def decryptFromHexStr(self,entext):
'''
从hexstr编码字符串编码进行AES解密
entext: 数据类型str
'''
mData = MData(characterSet=self.characterSet)
self.data = mData.fromHexStr(entext)
return self.__decrypt()

def decryptFromString(self,entext):
'''
从字符串进行AES解密
entext: 数据类型str
'''
mData = MData(characterSet=self.characterSet)
self.data = mData.fromString(entext)
return self.__decrypt()

def decryptFromBytes(self,entext):
'''
从二进制进行AES解密
entext: 数据类型bytes
'''
self.data = entext
return self.__decrypt()

def encryptFromString(self,data):
'''
对字符串进行AES加密
data: 待加密字符串，数据类型为str
'''
self.data = data.encode(self.characterSet)
return self.__encrypt()

def __encrypt(self):
if self.mode == AES.MODE_CBC:
aes = AES.new(self.key,self.mode,self.iv)
elif self.mode == AES.MODE_ECB:
aes = AES.new(self.key,self.mode)
else:
print("不支持这种模式")
return

data = self.__paddingData(self.data)
enData = aes.encrypt(data)
return MData(enData)

def __decrypt(self):
if self.mode == AES.MODE_CBC:
aes = AES.new(self.key,self.mode,self.iv)
elif self.mode == AES.MODE_ECB:
aes = AES.new(self.key,self.mode)
else:
print("不支持这种模式")
return
data = aes.decrypt(self.data)
mData = MData(self.__stripPaddingData(data),characterSet=self.characterSet)
return mData

if __name__ == '__main__':
key = b"1234567812345678"
iv = b"0000000000000000"
aes = AEScryptor(key,AES.MODE_CBC,iv,paddingMode= "ZeroPadding",characterSet='utf-8')

data = "好好学习"
rData = aes.encryptFromString(data)
print("密文：",rData.toBase64())
rData = aes.decryptFromBase64(rData.toBase64())
print("明文：",rData)

我简单的对其进行了封装，加密和解密返回的数据类型可以使用toBase64(),toHexStr() 进行编码。另外我没有对key和iv进行补全，可以使用MData类自己实现，更多详细使用可以通过源码中注释了解。来源：Hello_wshuo