实战篇-OpenSSL之AES加密算法-CBC模式

2023-07-29 11:40:04

实战篇-OpenSSL之AES加密算法-CBC模式

一、AES简介
二、CBC模式

一、AES简介

密码学中的高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES），又称Rijndael加密法，是美国联邦*采用的一种区块加密标准。

这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS
PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。

AES属于对称加密算法，加解密使用同一个秘钥。

对称加密算法，一般有至少4种模式，即ECB、CBC、CFB、OFB等。

具体的加密原理，就不进行介绍了，本文主要从使用角度，进行说明。

以下命令行和编程实现，均基于OpenSSL开源库。在命令行中，我们可以使用命令实现对文件加解密，以验证我们的编程实现，是否正确。

二、CBC模式

加密块链模式 Cipher Block Chaining(CBC)。CBC 模式的加密首先也是将明文分成固定长度的块，然后将前面一个加密块输出的密文与下一个要加密的明文块进行异或操作，将计算结果再用密钥进行加密得到密文。第一明文块加密的时候，因为前面没有加密的密文，所以需要一个初始化向量。跟 ECB 方式不一样，通过连接关系，使得密文跟明文不再是一一对应的关系，破解起来更困难，而且克服了只要简单调换密文块可能达到目的的攻击。

1、命令行操作

使用aes-128-cbc对hello.txt加密，密钥为12345678901234567890，初始化向量为12345678，密文为hello.en。

openssl enc -e -aes-128-cbc -in hello.txt -out hello.en -K 12345678901234567890 -iv 12345678

使用aes-128-cbc对hello.en解密，密钥为12345678901234567890，初始化向量为12345678，解密后的文件为hello.de。

openssl enc -d -aes-128-cbc -in hello.en -out hello.de -K 12345678901234567890 -iv 12345678

2、函数说明

AES CBC加密/解密：

void AES_cbc_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                     size_t length, const AES_KEY *key,
                     unsigned char *ivec, const int enc);

参数名称	含义
in	输入数据，长度任意
out	输出数据，能够容纳下输入数据，且长度必须是16字节的倍数。
length	输入数据的实际长度。
key	使用AES_set_encrypt_key/AES_set_decrypt_key生成的Key
ivec	可读写的一块内存。长度必须是16字节。
enc	AES_ENCRYPT 代表加密， AES_DECRYPT代表解密

AES_cbc_encrypt在加密的过程中会修改ivec的内容，因此ivec参数不能是一个常量，而且不能在传递给加密函数后再立马传递给解密函数，必须重新赋值之后再传递给解密函数。

3、编程实现

（1）特别注意

CBC加解密函数AES_cbc_encrypt，可以对任意长度的输入数据进行加密，若输入数据不为16字节整数倍时，该函数内部会使用ZeroPadding自动对输入数据，进行填充，再进行加密。

ZeroPadding的填充方式：数据长度不对齐时使用0填充，否则不填充。

加密过程倒是没有什么问题，但是，在将不对齐的明文生成的密文，进行解密时，解密后的数据中末尾出现多个0数据，若明文数据中末尾本身带有0数据，则无法区分该0数据到底是填充的，还是真实数据。

故，建议将输入数据进行PKCS7填充后，再进行加密，以便解密时，正确还原明文数据。

（2）实现CBC模式加解密

下面，函数已经封装完毕，如下：

/**
 * @brief AES::cbc_encrypt
 * CBC模式加解密，填充模式采用PKCS7Padding，
 * 支持对任意长度明文进行加解密。
 * @param in 输入数据
 * @param out 输出结果
 * @param key 密钥，长度必须是16/24/32字节，否则加密失败
 * @param ivec 初始向量，长度必须是16字节
 * @param enc true-加密，false-解密
 * @return 执行结果
 */
bool AES::cbc_encrypt(const QByteArray &in, QByteArray &out, const QByteArray &key, const QByteArray &ivec, bool enc)
{
    // 检查密钥合法性(只能是16、24、32字节)
    Q_ASSERT(key.size() == 16 || key.size() == 24 || key.size() == 32);
    Q_ASSERT(ivec.size() == 16); // 初始向量为16字节

    if (enc)
    {
        // 生成加密key
        AES_KEY aes_key;
        if (AES_set_encrypt_key((const unsigned char*)key.data(), key.size() * 8, &aes_key) != 0)
        {
            return false;
        }

        // 进行PKCS7Padding填充
        QByteArray inTemp = Padding::PKCS7Padding(in, AES_BLOCK_SIZE);

        // 执行CBC模式加密
        QByteArray ivecTemp = ivec; // ivec会被修改，故需要临时变量来暂存
        out.resize(inTemp.size()); // 调整输出buf大小
        AES_cbc_encrypt((const unsigned char*)inTemp.data(),
                        (unsigned char*)out.data(),
                        inTemp.size(),
                        &aes_key,
                        (unsigned char*)ivecTemp.data(),
                        AES_ENCRYPT);
        return true;
    }
    else
    {
        // 生成解密key
        AES_KEY aes_key;
        if (AES_set_decrypt_key((const unsigned char*)key.data(), key.size() * 8, &aes_key) != 0)
        {
            return false;
        }

        // 执行CBC模式解密
        QByteArray ivecTemp = ivec; // ivec会被修改，故需要临时变量来暂存
        out.resize(in.size()); // 调整输出buf大小
        AES_cbc_encrypt((const unsigned char*)in.data(),
                        (unsigned char*)out.data(),
                        in.size(),
                        &aes_key,
                        (unsigned char*)ivecTemp.data(),
                        AES_DECRYPT);

        // 解除PKCS7Padding填充
        out = Padding::PKCS7UnPadding(out);
        return true;
    }
}

加解密过程与ECB模式类似。

加密过程：

生成加密key
进行PKCS7Padding填充
执行加密

解密过程：

生成解密key
执行解密
去除PKCS7Padding填充

经测试，本函数支持对任意长度输入数据进行加解密。

（3）测试代码

void createTestData(QByteArray& data, int size)
{
    data.resize(size);
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
        data[i] = i % 128;
    }
}

void testAES(const QByteArray& data)
{
    QByteArray plainText = data;
    QByteArray encryptText;
    QByteArray decryptText;

    QByteArray key = QByteArray::fromHex("8cc72b05705d5c46f412af8cbed55aad");
    QByteArray ivec = QByteArray::fromHex("667b02a85c61c786def4521b060265e8");

    // AES cbc模式加密验证
    AES aes;
    aes.cbc_encrypt(plainText, encryptText, key, ivec, true);     // 加密
    aes.cbc_encrypt(encryptText, decryptText, key, ivec, false);  // 解密
    qDebug() << "AES cbc encrypt verify" << ((decryptText == plainText) ? "succeeded" : "failed");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    // 产生1MB的测试数据
    QByteArray data;
    createTestData(data, 1*1024*1024);

    // 测试AES
    testAES(data);     // 测试，直接调用OpenSSL中AES算法函数

    return a.exec();
}

执行结果：

本文涉及工程代码地址：https://gitee.com/bailiyang/cdemo/tree/master/Qt/49OpenSSL/OpenSSL

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