Python中的AES-GCM解密

在 Python 中使用 AES-GCM 进行解密是加密数据处理中的一个重要任务。AES-GCM 是一种基于 AES 的加密模式，结合了加密和认证功能，提供了数据的机密性和完整性保证。下面是对如何在 Python 中使用 AES-GCM 进行解密的详细讲解，包括概念解释、库选择、代码示例以及常见问题的解答。

1. AES-GCM 简介

AES-GCM（Galois/Counter Mode）是一种加密模式，它结合了 AES 的对称加密算法和 Galois 计数器模式，以提供数据加密和认证。AES-GCM 具有以下特点：

• 机密性：通过 AES 算法对数据进行加密。
• 完整性：通过 GCM 模式的认证码（Tag）确保数据在传输过程中未被篡改。

2. Python 中的 AES-GCM 解密步骤

2.1 安装 cryptography 库

cryptography 是 Python 中进行加密操作的标准库之一，提供了对 AES-GCM 的支持。可以通过 pip 安装：

bash
复制代码
pip install cryptography

2.2 导入必要的模块

python
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from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend

2.3 解密数据

以下是一个完整的示例，展示如何使用 cryptography 库来解密 AES-GCM 加密的数据。

python
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from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend

def decrypt_aes_gcm(key: bytes, nonce: bytes, ciphertext: bytes, tag: bytes) -> bytes:
    # 创建 AES-GCM 解密器对象
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.GCM(nonce, tag), backend=default_backend())
    decryptor = cipher.decryptor()
    
    # 解密数据
    plaintext = decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize()
    
    return plaintext

# 示例数据
key = b'\x00' * 32  # 256-bit 密钥
nonce = b'\x00' * 12  # 96-bit nonce
ciphertext = b'...'  # 加密的文本数据
tag = b'...'  # 认证标签

# 调用解密函数
plaintext = decrypt_aes_gcm(key, nonce, ciphertext, tag)

print(f"Plaintext: {plaintext.decode('utf-8')}")

代码解释

• Cipher(algorithms.AES(key), modes.GCM(nonce, tag), backend=default_backend())：创建一个 AES-GCM 解密器对象。key 是 256 位的密钥，nonce 是 96 位的随机数（也称为 IV），tag 是 16 字节的认证标签。

• decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize()：解密数据并生成明文。如果数据有任何篡改，decryptor.finalize() 将抛出异常。

2.4 从文件中读取加密数据

如果加密数据存储在文件中，您可以使用以下代码从文件中读取数据并解密：

python
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def read_encrypted_file(file_path):
    with open(file_path, 'rb') as file:
        # 从文件中读取密钥、nonce、加密数据和标签
        key = file.read(32)  # 256-bit 密钥
        nonce = file.read(12)  # 96-bit nonce
        ciphertext = file.read(-16)  # 剩余部分是加密的数据
        tag = file.read(16)  # 认证标签
    
    return key, nonce, ciphertext, tag

# 示例文件路径
file_path = 'encrypted_data.bin'
key, nonce, ciphertext, tag = read_encrypted_file(file_path)
plaintext = decrypt_aes_gcm(key, nonce, ciphertext, tag)
print(f"Plaintext: {plaintext.decode('utf-8')}")

3. 常见问题与解决方案

3.1 问题：InvalidTag 异常

原因：这通常是因为提供的 tag 与实际的 ciphertext 不匹配，或者数据在传输过程中被篡改。

解决方案：

• 确保 nonce 和 tag 是从正确的加密数据中提取的。
• 确保 key 是正确的 256 位 AES 密钥。

3.2 问题：ValueError: Ciphertext length must be greater than tag length

原因：ciphertext 的长度应该比 tag 长 16 字节。

解决方案：

• 确保 ciphertext 的长度包括所有加密的数据，而不是仅仅加密的数据。

3.3 问题：TypeError: 'NoneType' object is not callable

原因：cipher.decryptor() 返回了一个 None 对象，通常是因为 key、nonce 或 tag 的长度不正确。

解决方案：

• 确保所有输入数据的长度是正确的。

4. 完整示例代码

以下是一个完整的 AES-GCM 解密示例，包括加密和解密的代码：

python
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from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
import os

# 加密函数（示例）
def encrypt_aes_gcm(key: bytes, plaintext: bytes) -> (bytes, bytes, bytes):
    nonce = os.urandom(12)  # 生成 96-bit nonce
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.GCM(nonce), backend=default_backend())
    encryptor = cipher.encryptor()
    ciphertext = encryptor.update(plaintext) + encryptor.finalize()
    tag = encryptor.tag  # 获取认证标签
    return nonce, ciphertext, tag

# 解密函数
def decrypt_aes_gcm(key: bytes, nonce: bytes, ciphertext: bytes, tag: bytes) -> bytes:
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.GCM(nonce, tag), backend=default_backend())
    decryptor = cipher.decryptor()
    plaintext = decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize()
    return plaintext

# 示例数据
key = os.urandom(32)  # 生成 256-bit 密钥
plaintext = b"Hello, World!"

# 加密
nonce, ciphertext, tag = encrypt_aes_gcm(key, plaintext)
print(f"Ciphertext: {ciphertext.hex()}")
print(f"Tag: {tag.hex()}")

# 解密
decrypted_plaintext = decrypt_aes_gcm(key, nonce, ciphertext, tag)
print(f"Decrypted Plaintext: {decrypted_plaintext.decode('utf-8')}")

5. 参考资料

• Cryptography Library Documentation
• AES-GCM Mode on Wikipedia
• Python cryptography Package

总结与关键字

总结

在 Python 中使用 AES-GCM 进行解密需要从 cryptography 库中导入相关模块，并使用 Cipher 对象来解密数据。步骤包括创建解密器、读取加密数据和标签、进行解密处理，并处理常见的错误问题。可以从文件中读取加密数据，也可以处理多种加密场景中的数据。示例代码涵盖了加密、解密以及从文件中读取数据的过程，帮助理解 AES-GCM 模式的基本应用。

关键字

Python, AES-GCM, 解密, cryptography, Cipher, algorithms.AES, modes.GCM, default_backend, 加密, 认证标签, nonce, key, ciphertext, tag, decryptor, update, finalize, os.urandom, `cryptography.hazmat