AES-GCM演算法詳解

一、AES-GCM演算法

AES-GCM演算法是一種高效的加密演算法，該演算法在密鑰長度為128位的情況下被廣泛使用。它提供了認證、加密和消息完整性保護，使其成為現代安全協議中的重要組成部分。

AES-GCM演算法使用了標準的AES演算法和Galois/Counter Mode (GCM)。這個演算法能夠對指定明文進行加密和解密，並提供完整性保護。加密過程中使用了GCM，該演算法使用了一種稱為「Counter Mode」的技術，並使用多項式乘法運算和異或運算來計算加密結果。加密之後，會計算出一個Message Authentication Code (MAC)，用於驗證消息的完整性和真實性。

二、AES-GCM安全性

AES-GCM演算法具有很高的安全性。這個演算法已經被廣泛使用並經過了嚴格的安全測試。該演算法設計用於保護網路通信和存儲在存儲介質中的數據。除非密鑰被泄露，否則該演算法是安全的。

但是，和所有加密演算法一樣，該演算法仍然可能受到側信道攻擊和暴力破解攻擊。因此，在使用該演算法時，應該注意採取適當的安全措施以保護密鑰。

三、使用AES-GCM加密和解密數據

下面是使用Python和pycryptodome庫進行AES-GCM加密和解密的示例代碼：

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
from Crypto.Random import get_random_bytes

key = get_random_bytes(16)  # 生成隨機的16位元組的密鑰
nonce = get_random_bytes(12)  # 生成隨機的12位元組的nonce

# 明文數據
plaintext = b'This is a secret message'

# 加密
cipher = AES.new(key, AES.MODE_GCM, nonce=nonce)
ciphertext, tag = cipher.encrypt_and_digest(pad(plaintext, 16))

# 解密
cipher = AES.new(key, AES.MODE_GCM, nonce=nonce)
decrypted_data = unpad(cipher.decrypt_and_verify(ciphertext, tag), 16)

print('加密後的數據:', ciphertext)
print('解密後的數據:', decrypted_data)

在這個示例代碼中，我們使用了Crypto.Cipher庫中的AES模塊和MODE_GCM模式。我們生成了一個16位元組的隨機密鑰和一個12位元組的隨機nonce。然後我們使用AES-GCM模式加密明文，並生成了一個tag（用於驗證加密結果的完整性和真實性）。

解密過程類似：我們使用相同的密鑰和nonce解密密文，並通過驗證tag來確定解密後的數據是否與原始明文相同。

四、使用AES-GCM保護網路通信

AES-GCM演算法被廣泛用於保護網路通信，主要是因為它提供了高效的加密和完整性驗證。下面是一個使用Python Sockets和AES-GCM演算法進行加密通信的示例代碼：

import socket
from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
from Crypto.Random import get_random_bytes

def get_secret_key():
    # 從某個地方獲取共享的16位元組密鑰，建議使用Diffie-Hellman密鑰交換來生成密鑰
    return b'mysecretkey12345'

def start_server():
    # 啟動伺服器
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    server_socket.bind(('localhost', 1234))
    server_socket.listen(1)
    print('等待連接...')

    # 等待客戶端連接
    client_socket, client_address = server_socket.accept()
    print('客戶端已連接:', client_address)

    # 獲取密鑰
    key = get_secret_key()

    # 生成隨機nonce
    nonce = get_random_bytes(12)

    # 加密數據並發送給客戶端
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_GCM, nonce=nonce)
    plaintext = b'Hello, world!'
    ciphertext, tag = cipher.encrypt_and_digest(pad(plaintext, 16))
    client_socket.sendall(nonce + ciphertext + tag)

    # 關閉連接
    client_socket.close()
    server_socket.close()

def start_client():
    # 啟動客戶端
    server_address = ('localhost', 1234)
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    client_socket.connect(server_address)
    print('已連接到伺服器:', server_address)

    # 獲取密鑰
    key = get_secret_key()

    # 接收並解密數據
    data = client_socket.recv(1024)
    nonce = data[:12]
    ciphertext = data[12:-16]
    tag = data[-16:]
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_GCM, nonce=nonce)
    decrypted_data = unpad(cipher.decrypt_and_verify(ciphertext, tag), 16)

    # 輸出數據
    print('接收到數據:', decrypted_data)

    # 關閉連接
    client_socket.close()

if __name__ == '__main__':
    start_server()
    start_client()

在這個示例代碼中，我們使用了Python Sockets庫來實現客戶端和伺服器端之間的通信。在伺服器端，我們生成了一個16位元組的密鑰，並等待客戶端連接。一旦連接建立，我們使用AES-GCM演算法加密數據並發送給客戶端。在客戶端，我們使用相同的密鑰和nonce解密數據。

需要注意的是，共享密鑰的安全很重要。建議使用Diffie-Hellman密鑰交換協議來生成共享密鑰。