爬虫逆向加密技术详解之对称加密算法：原理、过程与关键技术详解

一、对称加密简介

对称密钥算法(Symmetric-key algorithm)，又称为对称加密、私钥加密、共享密钥加密，是一种使用‌相同密钥‌进行加密和解密的密码学技术。其核心思想是：发送方和接收方需预先共享一个密钥，加密时用密钥将明文转换为密文，解密时用同一密钥将密文还原为明文。

典型算法：AES（高级加密标准）、DES（数据加密标准）、3DES（三重数据加密算法）、SM4（国密算法）、RC4（流加密算法）、Rabbit（流加密算法）等。

特点：

• 1. 对称加密算法是加密/解密可逆的算法。
• 2. 其加密和解密使用相同的密钥。
• 3. 对输入数据无长度要求，加密速度快。
• 4. 密钥可随机生成，但有位数要求（一般定义为key）。
• 5. 不同算法的密钥长度：
  • AES：16、24、32字节（对应AES - 128、AES - 192、AES - 256）
  • DES：8字节
  • 3DES：24字节
  • SM4：16字节
  • RC4：1 - 256字节（位数）

对称加密分类：

• 分组加密（将明文分组后逐组加密）：AES、DES、3DES、SM4 。
• 序列加密/流加密（以字节流方式依次加密（解密）每个字节）：RC4、Rabbit。

二、对称加密的基本过程

对称加密的核心流程可概括为以下三步：

1. 密钥生成：

   • 加密双方需预先共享一个相同的密钥（Key），密钥长度通常为128位（AES-128）、192位或256位，密钥的安全性直接决定加密强度。

2. 加密过程：

   • 发送方使用密钥和加密算法（如AES）将明文（Plaintext）转换为密文（Ciphertext）。
   • 数学表达：密文 = E(明文, 密钥)，其中E为加密函数。

3. 解密过程：

   • 接收方使用相同的密钥和对应的解密算法将密文还原为明文。
   • 数学表达：明文 = D(密文, 密钥)，其中D为解密函数。

示例：

• 用户A使用AES-256密钥加密邮件内容，通过互联网发送给用户B。
• 用户B使用相同的密钥解密，恢复原始邮件。

三、对称加密的运算模式

对称加密算法通常以固定大小的块（如AES的128位块）处理数据。当明文长度非块大小的整数倍时，需结合运算模式（Mode of Operation，简称：mode）实现高效加密。

最常见的加密模式（经验总结）：ECB和CBC

3.1 ECB（电子密码本模式）

ECB（电子密码本模式，Electronic Codebook）是最简单的对称加密运算模式。它将明文划分为固定长度的块（如 AES 中为 128 位），每个块独立使用密钥进行加密，生成相应的密文块。

• 优点：实现简单，加密和解密速度快
• 缺点：由于相同的明文块会生成相同的密文块，容易暴露明文的数据模式，在安全性要求较高的场景下存在被破解的风险。例如，在加密图像数据时，重复的图案可能会在密文中呈现出规律，攻击者可借此进行分析。

3.2 CBC（密码分组链接模式）

CBC（密码分组链接模式，Cipher Block Chaining）克服了 ECB 模式的部分缺陷。在 CBC 模式中，每个明文块在加密前会与前一个密文块进行异或运算，然后再使用密钥进行加密。第一个明文块则与一个初始向量（IV）进行异或运算。这样，即使明文存在相同的块，由于异或运算的作用，生成的密文块也会不同，大大提高了加密的安全性。但 CBC 模式的缺点是加密过程存在顺序性，必须按顺序处理每个分组，无法进行并行处理，在一定程度上影响了加密效率。

• 初始化向量（IV）：首个明文块需与随机IV异或，IV无需保密但需唯一。
• 优点：隐藏明文模式，安全性高于ECB。

3.3 CFB（密码反馈模式）

CFB（密码反馈模式，Cipher Feedback）将加密算法作为流密码的密钥流生成器。它将前一个密文块加密后生成的结果，与当前明文块进行异或运算，得到当前密文块。CFB 模式不需要填充明文，能够按字节或比特进行加密，适用于实时数据加密，如网络通信中的数据流。不过，由于其加密过程依赖于前一个密文块，一旦密文在传输过程中出现错误，会影响后续所有密文块的解密。

• 适用场景：需要部分解密或错误传播可控的场景（如实时语音加密）。

3.4 OFB（输出反馈模式）

OFB（输出反馈模式，Output Feedback）与 CFB 模式类似，也是将加密算法作为密钥流生成器。不同的是，OFB 模式使用加密算法的输出直接作为密钥流，与明文进行异或运算。OFB 模式同样不需要填充明文，对密文传输中的错误不敏感，即使部分密文出错，也不会影响后续密文块的解密，但它在安全性方面相对 CBC 模式较弱。

• 特点：错误仅影响当前块，但需严格同步。

3.5 CTR（计数器模式）

CTR（计数器模式，Counter Mode）是一种较新且高效的运算模式。它使用一个计数器，每个明文块对应一个不同的计数器值，计数器值经过加密后生成密钥流，与明文块进行异或运算得到密文块。CTR 模式支持并行处理，加密和解密速度快，并且对密文传输错误不敏感，在现代密码学应用中得到广泛使用。

• 优点：并行计算高效，支持随机访问（如磁盘加密）。

3.6 CTS（密文窃取模式）

CTS（密文窃取模式，Cipher Text Stealing）用于解决块密码加密中最后一个数据块长度不足的问题。 在加密过程中，最后一个数据块长度不足时，会使用部分密文块填充明文块，然后进行加密。 在解密过程中，最后一个数据块长度不足时，会使用部分密文块解密，然后去除填充部分。保持了加密前后数据长度的一致性。

四、填充模式

在对称加密中，由于加密算法通常要求明文的长度是固定块大小的整数倍（如 AES 的块大小为 128 位），当明文长度不满足要求时，就需要使用填充模式（Padding Schemes，简称：padding）。

• 当明文长度不足一个分组时，需填充到一个分组长度。
• 当明文长度恰好为一个分组时，需再填充一个分组长度。

4.1 PKCS#7填充

PKCS#7 填充是一种常见的填充方式。它会在明文的末尾填充一定数量的字节，每个字节的值等于填充的字节数。例如，如果明文长度为 120 位，距离 128 位的块大小还差 8 位，就填充 8 个字节的 0x08。在解密时，接收方根据最后一个字节的值，去除相应数量的填充字节，还原出原始明文。

• 填充值为填充字节数（如明文 “ABCD” → 填充 4 字节 0x04 → “ABCD\x04\x04\x04\x04”）。
• 优点：解密时可直接丢弃填充字节。

4.2 ANSIX923填充

ANSIX923 填充与 PKCS#7 类似，也是在明文末尾进行填充。不同的是，它除了最后一个字节表示填充的字节数外，其余填充字节都为 0。例如，若需要填充 8 个字节，前 7 个字节为 0，最后一个字节为 0x08。

4.3 ISO10126填充

填充字符串由一个字节序列组成，此字节序列的最后一个字节填充字节序列的长度，其余字节填充随机数据。例如：明文 “ABCD” → 填充随机字节 + 0x04 → “ABCD\xA1\xB2\xC3\x04”

4.4 零填充（‌Zero Padding）

零填充是最简单的填充方式，直接在明文末尾填充 0，使明文长度达到块大小的整数倍。但零填充存在一定的安全隐患，因为在解密时，无法准确判断填充的 0 是原始数据中的 0 还是填充的 0，可能导致解密错误或数据泄露风险。例如：明文 “ABCD” → “ABCD\x00\x00\x00\x00”（可能混淆数据边界）

• 缺点：无法区分填充与真实数据（如二进制文件）。

4.5 无填充（No Padding）

• 要求明文长度为块大小的整数倍，否则报错。
• 适用场景：已知长度的结构化数据（如哈希值）。

五、偏移量

偏移量（Initialization Vector, IV）是对称加密中用于增强安全性的随机值，在 CBC、CFB 等模式中必需。

1. 其核心作用：

• ‌随机化输入‌：即使相同明文和密钥，不同 IV 会生成不同密文，防止模式分析攻击。

• 抵御重放攻击‌：每次加密使用唯一 IV，避免攻击者重复发送旧密文。

2. ‌使用规范‌：

• IV 无需保密，但需与密文一起传输。
• IV 必须随机生成（如通过 CSPRNG），且长度与块大小一致（如 AES-CBC 的 IV 为 128 位）。

3. 与密钥的关系：

• IV≠密钥。密钥需严格保密，而IV可公开。

4. 示例‌：

• 在 AES CBC 中，加密流程为：密文块 = 加密(当前明文块 XOR 前一块密文)，首块使用 IV。