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Python 实现高效的 SM4 大文件加密解密实战指南20241024

news 2025/7/1 3:52:26

Python 实现高效的 SM4 大文件加密解密实战指南

引言

在数据安全领域，使用对称加密算法如SM4进行数据保护非常常见。特别是当处理大文件时，合理的内存和块大小管理以及加密解密效率变得尤为重要。本文将分享如何使用Python进行大文件的SM4加密解密操作，并对代码进行优化，加入异常处理和内存管理措施，确保程序在处理大文件时的稳定性。

背景介绍
SM4算法概述
挑战与解决方案
填充处理的重要性
大文件的分块处理
完整代码实现
- 环境准备
- AlgorithmTool 类的实现
- SM4FileHelper 类的实现（含详细注释）
代码解析与说明
- 填充与去填充
- 按块加密解密逻辑
- 处理最后一个数据块
最佳实践与注意事项
- 内存优化
- 异常处理
- 安全性考虑
总结

背景介绍

SM4 是我国国家密码管理局制定的对称加密算法，被广泛应用于数据保护领域。然而，在对大文件进行加密解密时，如果不合理管理内存和块的大小，程序可能会崩溃或变得非常缓慢。我们将通过优化代码和加入合适的异常处理机制，提升程序的鲁棒性和性能。

SM4 算法概述

SM4 是一种分组对称加密算法，其块大小和密钥长度均为128位（16字节）。它的安全性和高效性使其成为移动通信、电子政务等领域的首选算法。

挑战与解决方案

初始问题

在使用SM4进行大文件加密解密时，您可能遇到以下问题：

加密后的文件大小与原始文件大小相同：加密后的文件应该比原文件略大，这是由于填充机制导致的。
解密后的文件内容不正确，无法还原到原始文件。

问题分析

通过代码分析，我们发现了以下问题：

填充处理不当：加密过程中，最后一个数据块没有正确处理填充，导致加密数据的长度与原始数据不匹配。
数据块未对齐：SM4 的块大小是16字节，但在加密和解密时使用了不同的块大小，导致数据块未正确对齐。

解决方案

通过以下改进，我们修复了这些问题：

调整数据块的大小：使用16的倍数作为块大小（例如16 * 1024字节），确保数据块与SM4的块大小对齐。
正确处理填充：仅对最后一个数据块进行填充，解密时正确去除填充。
添加异常处理：引入合理的异常处理机制，确保在文件读取、加解密过程中处理意外情况。

完整代码实现（含详细注释）

环境准备

确保安装了gmssl库：

pip install gmssl

AlgorithmTool 类的实现

from gmssl.sm4 import CryptSM4, SM4_ENCRYPT, SM4_DECRYPT# 工具类：提供SM4加解密以及填充处理
class AlgorithmTool:def __init__(self):pass# 将16进制字符串转换为字节数据@staticmethoddef hex_string_to_bytes(data):return bytes.fromhex(data.replace(" ", ""))# PKCS7填充算法，确保数据长度是16字节的整数倍def pkcs7_padding(self, data):pad_len = 16 - (len(data) % 16)  # 计算需要填充的字节数padding = bytes([pad_len] * pad_len)  # 生成填充字节return data + padding  # 将填充字节附加到数据末尾# 去除PKCS7填充，恢复原始数据def pkcs7_unpadding(self, data):pad_len = data[-1]  # 读取最后一个字节，获取填充长度return data[:-pad_len]  # 移除填充字节# 使用SM4进行ECB模式加密def encrypt_sm4(self, key, value):crypt_sm4 = CryptSM4()crypt_sm4.set_key(self.hex_string_to_bytes(key), SM4_ENCRYPT)  # 设置加密密钥return crypt_sm4.crypt_ecb(value)  # 返回加密后的字节数据# 使用SM4进行ECB模式解密def decrypt_sm4(self, key, encrypted_value):crypt_sm4 = CryptSM4()crypt_sm4.set_key(self.hex_string_to_bytes(key), SM4_DECRYPT)  # 设置解密密钥decrypted_data = crypt_sm4.crypt_ecb(encrypted_value)  # 进行解密return self.pkcs7_unpadding(decrypted_data)  # 去除填充，返回解密后的数据

SM4FileHelper 类的实现（含详细注释）

import os
import io# 文件加密辅助类：提供按块加密和解密大文件的功能
class SM4FileHelper:def __init__(self, key):self.ag_tool = AlgorithmTool()  # 使用AlgorithmTool处理加解密self.key = key  # 16进制密钥self.block_size = 16 * 1024  # 块大小为16的倍数# 加密文件，并在文件开头保存原始文件大小信息def encrypt_file(self, input_file_path, output_file_path):"""按块加密文件内容，并在文件开头存储原始文件大小"""try:# 获取输入文件的总大小file_size = os.path.getsize(input_file_path)# 打开输入和输出文件with open(input_file_path, 'rb') as f_in, open(output_file_path, 'wb') as f_out:# 写入文件大小，便于解密时恢复f_out.write(file_size.to_bytes(8, byteorder='big'))# 循环按块读取文件while True:chunk = f_in.read(self.block_size)  # 读取数据块if not chunk:break  # 如果没有数据，则结束循环if len(chunk) < self.block_size:# 如果是最后一个块，进行填充后加密padded_chunk = self.ag_tool.pkcs7_padding(chunk)encrypted_chunk = self.ag_tool.encrypt_sm4(self.key, padded_chunk)else:# 如果是完整的块，直接加密encrypted_chunk = self.ag_tool.encrypt_sm4(self.key, chunk)f_out.write(encrypted_chunk)  # 写入加密后的数据except IOError as e:print(f"文件操作错误: {e}")  # 处理文件读写错误except Exception as e:print(f"加密过程中的错误: {e}")  # 处理加密过程中的其他异常# 解密文件，并恢复原始文件内容def decrypt_file(self, input_file_path, output_file_path):"""按块解密文件内容"""try:# 打开输入和输出文件with open(input_file_path, 'rb') as f_in_raw, open(output_file_path, 'wb') as f_out:f_in = io.BufferedReader(f_in_raw)# 读取文件开头的原始文件大小original_file_size = int.from_bytes(f_in.read(8), byteorder='big')decrypted_size = 0  # 已解密的数据大小# 循环按块解密文件while True:encrypted_chunk = f_in.read(self.block_size + 16)  # 读取加密数据块if not encrypted_chunk:break  # 如果没有数据，则结束循环if f_in.peek(1) == b'':  # 判断是否为最后一个块# 最后一个块，进行解密后去填充，并调整大小decrypted_chunk = self.ag_tool.decrypt_sm4(self.key, encrypted_chunk)remaining_size = original_file_size - decrypted_size  # 计算剩余未写入的大小decrypted_chunk = decrypted_chunk[:remaining_size]  # 截断填充后的多余数据else:# 非最后一个块，直接解密decrypted_chunk = self.ag_tool.decrypt_sm4(self.key, encrypted_chunk)f_out.write(decrypted_chunk)  # 写入解密后的数据decrypted_size += len(decrypted_chunk)  # 更新已解密数据的大小except IOError as e:print(f"文件操作错误: {e}")  # 处理文件读写错误except Exception as e:print(f"解密过程中的错误: {e}")  # 处理解密过程中的其他异常# 比较两个文件的大小，用于验证解密文件与原文件是否一致def compare_file_size(self, original_file_path, decrypted_file_path):"""比较两个文件的大小"""try:# 获取原文件和解密后文件的大小original_size = os.path.getsize(original_file_path)decrypted_size = os.path.getsize(decrypted_file_path)# 输出文件大小对比结果print(f"原文件大小: {original_size} 字节")print(f"解密文件大小: {decrypted_size} 字节")# 检查文件大小是否一致if original_size == decrypted_size:print("文件大小一致。")else:print("文件大小不一致！")except IOError as e:print(f"比较文件大小时的错误: {e}")  # 处理文件操作异常

测试代码

if __name__ == '__main__':key = '5A3F323272CEA0640C711129E0B6043B'  # 您的16进制密钥sm4_helper = SM4FileHelper(key)input_file = 'testbig.jpg'  # 要加密的文件encrypted_file = 'encrypted_testbig.sm4'  # 保存加密文件decrypted_file = 'decrypted_testbig.png'  # 解密后的文件# 加密文件sm4_helper.encrypt_file(input_file, encrypted_file)print(f"文件 {input_file} 已加密保存到 {encrypted_file}")# 解密文件sm4_helper.decrypt_file(encrypted_file, decrypted_file)print(f"文件 {encrypted_file} 已解密保存到 {decrypted_file}")# 比较文件大小sm4_helper.compare_file_size(input_file, decrypted_file)

代码解析与说明

填充与去填充

PKCS7填充：在AlgorithmTool类中实现，用于确保数据长度是块大小的整数倍。
填充过程：
- 计算填充字节数pad_len = 16 - (len(data) % 16)。
- 生成填充字节padding = bytes([pad_len] * pad_len)。
- 将填充字节附加到原数据末尾。
去填充过程：
- 读取最后一个字节，获取填充长度pad_len = data[-1]。
- 移除填充字节data[:-pad_len]。

按块加密解密逻辑

块大小选择：16 * 1024字节，满足SM4的块大小为16的倍数，同时平衡处理效率和内存占用。
加密逻辑：
- 按块读取文件，检查是否是最后一个块：
  - 最后一个块进行填充后加密。
  - 非最后一个块直接加密。
- 写入加密后的数据到输出文件。
解密逻辑：
- 按块读取加密文件，检查是否是最后一个块：
  - 最后一个块解密后去除填充，并根据原始文件大小截断多余字节。
  - 非最后一个块直接解密。