深入理解pyca/cryptography中的AEAD加密原语-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/gitblog_00573/article/details/148464864

深入理解pyca/cryptography中的AEAD加密原语

cryptography cryptography is a package designed to expose cryptographic primitives and recipes to Python developers. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cr/cryptography

什么是AEAD加密

AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）即带有关联数据的认证加密，是一种同时提供机密性和完整性保证的加密方案。它不仅加密数据本身，还能对不需要加密但需要验证完整性的关联数据进行认证。

在pyca/cryptography项目中，AEAD实现位于hazmat.primitives.aead模块中，属于底层密码学原语（hazmat表示"危险材料"，需要谨慎使用）。

AEAD的核心优势

一站式安全：同时解决加密和认证问题
关联数据支持：可对未加密数据提供完整性验证
简单易用：相比单独组合加密和MAC更不容易出错

pyca/cryptography支持的AEAD算法

1. ChaCha20Poly1305

特点：

基于流密码ChaCha20和Poly1305 MAC算法
定义在RFC 7539中
高性能，特别适合移动设备和网络应用

使用方法：

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import ChaCha20Poly1305
import os

# 生成密钥
key = ChaCha20Poly1305.generate_key()

# 创建加密器实例
chacha = ChaCha20Poly1305(key)

# 准备数据和关联数据
data = b"敏感数据"
aad = b"需要验证但不加密的数据"
nonce = os.urandom(12)  # 12字节随机数

# 加密
ciphertext = chacha.encrypt(nonce, data, aad)

# 解密
plaintext = chacha.decrypt(nonce, ciphertext, aad)

重要安全注意事项：

密钥必须保密
绝对不要重复使用nonce（随机数）
nonce长度必须为12字节

2. AES-GCM

特点：

基于AES块密码的Galois计数器模式
广泛支持，行业标准
高性能硬件实现

使用方法：

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESGCM
import os

# 生成128位密钥
key = AESGCM.generate_key(bit_length=128)
aesgcm = AESGCM(key)

data = b"机密信息"
aad = b"关联数据"
nonce = os.urandom(12)  # 推荐96位nonce

# 加密解密流程
ciphertext = aesgcm.encrypt(nonce, data, aad)
plaintext = aesgcm.decrypt(nonce, ciphertext, aad)

注意事项：

支持128、192或256位密钥
nonce推荐使用12字节(96位)，但最长可达2^64-1位
同样禁止nonce重用

3. AES-GCM-SIV

特点：

结合GCM和SIV（合成初始化向量）模式
定义在RFC 8452中
对nonce重用具有更强的抵抗能力

代码示例：

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESGCMSIV

key = AESGCMSIV.generate_key(bit_length=256)
aesgcmsiv = AESGCMSIV(key)

# 使用方式与AES-GCM类似

4. AES-OCB3

特点：

偏移码本模式(Offset Codebook Mode)
定义在RFC 7253中
高性能，单次处理完成加密和认证

5. AES-SIV

特点：

合成初始化向量模式
定义在RFC 5297
支持确定性加密和nonce-based加密
对nonce重用具有极强抵抗性

特殊用法：

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESSIV

# 注意AES-SIV需要双倍长度的密钥
key = AESSIV.generate_key(bit_length=512)  # 对应AES-256

aessiv = AESSIV(key)
data = b"数据"
nonce = os.urandom(16)  # 作为关联数据的最后一项
aad = [b"关联数据1", nonce]

# 加密时tag会前置
ciphertext = aessiv.encrypt(data, aad)