19、AES加密

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## 什么是 AES？

AES (Advanced Encryption Standard) 是一种对称加密算法，被广泛用于保护敏感数据。2001年，美国国家标准与技术研究院(NIST)将其确立为标准加密方法，取代了之前的 DES (Data Encryption Standard)。

## AES 的基本特点

*   **对称加密**：加密和解密使用相同的密钥
*   **分组密码**：以固定长度的数据块为单位进行加密
*   **密钥长度**：支持 128 位、192 位和 256 位三种密钥长度
*   **分组大小**：固定为 128 位（16 字节）

## AES 的工作模式

AES 有多种工作模式，最常见的包括：

1.  **ECB (Electronic Codebook)**：最简单的模式，直接对每个数据块独立加密
2.  **CBC (Cipher Block Chaining)**：每个明文块先与前一个密文块进行异或，再加密
3.  **CTR (Counter)**：利用计数器生成密钥流，与明文进行异或
4.  **GCM (Galois/Counter Mode)**：结合 CTR 模式并提供认证功能

## 代码解析

让我们来分析示例代码，这段代码使用了 MicroPython 中的 `ucryptolib` 模块演示 AES 加密：

### 1\. 导入模块

import ucryptolib

这里导入了 MicroPython 中的加密库 `ucryptolib`，它是专为资源受限设备设计的轻量级加密库。

### 2\. AES-128 ECB 模式测试

key = b'1234567890abcdef'  \# 16 字节的密钥

plaintext = b'This is 16 bytes'  \# 16 字节的明文

这里定义了：

*   **密钥 (key)**：长度为 16 字节，对应 AES-128
*   **明文 (plaintext)**：要加密的数据，正好是 16 字节

cipher = ucryptolib.aes(key, ucryptolib.MODE\_ECB)

encrypted = cipher.encrypt(plaintext)

这两行代码：

1.  创建一个 AES 加密器对象，使用 ECB 模式
2.  对明文进行加密，得到密文

cipher = ucryptolib.aes(key, ucryptolib.MODE\_ECB)

decrypted = cipher.decrypt(encrypted)

这两行代码：

1.  创建一个新的 AES 对象（用于解密）
2.  对密文进行解密，得到解密后的数据

assert decrypted == plaintext, "AES-128 ECB failed"

这行代码验证解密后的数据与原始明文是否相同，如果不同则报错。

### 3\. 无效密钥长度测试

try:

ucryptolib.aes(b'short\_key', ucryptolib.MODE\_ECB)

assert False, "Invalid key not detected"

except ValueError:

print("Passed")

这段代码测试了使用不正确长度密钥的情况。AES 要求密钥长度必须是 16、24 或 32 字节，这里使用了一个较短的密钥，预期会抛出 `ValueError` 异常。

### 4\. 数据长度不对齐测试

cipher = ucryptolib.aes(key, ucryptolib.MODE\_ECB)

try:

cipher.encrypt(b'short')

assert False, "Unaligned data not detected"

except ValueError:

print("Passed")

这段代码测试了数据长度不是 16 字节倍数的情况。在 ECB 模式下，数据长度必须是 16 字节的倍数，这里使用了一个只有 5 字节的数据，预期会抛出 `ValueError` 异常。

## AES 的重要概念解释

### 1\. 密钥长度

*   **AES-128**：使用 16 字节（128 位）密钥
*   **AES-192**：使用 24 字节（192 位）密钥
*   **AES-256**：使用 32 字节（256 位）密钥

密钥越长，安全性越高，但性能可能略有下降。

### 2\. ECB 模式的局限性

示例代码使用了 ECB 模式，这是最简单但也是最不安全的 AES 模式：

*   相同的明文块会产生相同的密文块
*   不能隐藏数据模式，可能泄露信息
*   没有使用初始化向量 (IV)

对于实际应用，推荐使用 CBC、CTR 或 GCM 等更安全的模式。

### 3\. 填充问题

AES 要求数据长度是 16 字节的倍数。当数据长度不满足要求时，需要进行填充：

*   **PKCS#7 填充**：用缺少的字节数填充（最常用）
*   **零填充**：用 0 填充
*   **ANSI X.923**：最后一个字节表示填充的字节数，其余填充 0

示例代码没有处理填充，而是直接使用了长度刚好是 16 字节的数据。