20.3 OpenSSL 对称AES加解密算法

2023-10-30 13:01 由 lyshark 发表于 #后端开发

AES算法是一种对称加密算法，全称为高级加密标准（Advanced Encryption Standard）。它是一种分组密码，以128比特为一个分组进行加密，其密钥长度可以是128比特、192比特或256比特，因此可以提供不同等级的安全性。该算法采用了替代、置换和混淆等技术，以及多轮加密和密钥扩展等机制，使得其加密效果优秀，安全性高，被广泛应用于各种领域中，如数据加密、文件加密、网络安全等。

AES算法加密和解密使用的密钥是相同的，该算法加密和解密速度较快，适用于对大量数据进行加密解密的场景。在实际应用中，通常采用混合加密方式，即使用RSA算法加密对称加密算法中的密钥，再使用对称加密算法加密数据，以保证数据的机密性和加密解密的效率。

AES算法常用两种加密模式，即CBC和ECB模式，它们分别具有不同的优缺点。

ECB（Electronic Codebook，电子密码本）模式是最简单的分组密码工作模式，将每个明文块独立加密，同样的密钥加密同样的明文块得到的密文也是一样的，因此容易被攻击者利用重复的密文进行分析破解。ECB模式加密效率高，适用于短报文加密，但不适用于长报文加密。
CBC（Cipher Block Chaining，密码块链）模式是一种分组密码工作模式，先将明文分组，然后对每个分组进行加密，加密时使用上一块密文作为输入，因此相同的明文块在不同位置上得到的密文是不同的，可以防止被攻击者利用重复的密文进行分析破解。CBC模式加密效率较低，但适用于长报文加密，因为不同的明文块之间互相影响，增加了安全性。

在实际应用中，通常采用CBC模式进行加密，因为它比ECB模式更安全，但加密效率较低。此外，还有其他的加密模式，如CFB、OFB、CTR等，不同的加密模式适用于不同的场景，需要根据实际需求进行选择。

OpenSSL库提供了对AES加密的支持，但在使用时读者还是需要自行封装一些通用加解密函数，如下代码片段是笔者常用的一些函数总结，其中aes_cbc_encrypt函数用于使用CBC模式对特定字符串加密，aes_cbc_decrypt则使用CBC模式对字符串进行解密，第二个函数AES函数则是使用OpenSSL库默认的加解密函数二次封装实现的。

#include <iostream>
#include <openssl/err.h>
#include <openssl/aes.h>
#include <openssl/evp.h>
#include <openssl/crypto.h>
#include <openssl/pem.h>

extern "C"
{
#include <openssl/applink.c>
}

#pragma comment(lib,"libssl_static.lib")
#pragma comment(lib,"libcrypto.lib")

// CBC模式加密
int aes_cbc_encrypt(char* in, char* key, char* out)
{
    if (!in || !key || !out)
        return 0;

    unsigned char iv[AES_BLOCK_SIZE];
    for (int i = 0; i < AES_BLOCK_SIZE; ++i)
        iv[i] = 0;

    AES_KEY aes;
    if (AES_set_encrypt_key((unsigned char*)key, 128, &aes) < 0)
    {
        return 0;
    }
    int len = strlen(in);
    AES_cbc_encrypt((unsigned char*)in, (unsigned char*)out, len, &aes, iv, AES_ENCRYPT);
    return 1;
}

// CBC模式解密
int aes_cbc_decrypt(char* in, char* key, char* out)
{
    if (!in || !key || !out)
        return 0;

    // 加密的初始化向量
    unsigned char iv[AES_BLOCK_SIZE];

    // iv一般设置为全0
    for (int i = 0; i < AES_BLOCK_SIZE; ++i)
        iv[i] = 0;

    AES_KEY aes;
    if (AES_set_decrypt_key((unsigned char*)key, 128, &aes) < 0)
    {
        return 0;
    }
    int len = strlen(in);
    AES_cbc_encrypt((unsigned char*)in, (unsigned char*)out, len, &aes, iv, AES_DECRYPT);
    return 1;
}

// 将加密与解密整合在一起
void AES(unsigned char* InBuff, unsigned char* OutBuff, unsigned char* key, char* Type)
{
    if (strcmp(Type, "encode") == 0)
    {
        AES_KEY AESEncryptKey;
        AES_set_encrypt_key(key, 256, &AESEncryptKey);
        AES_encrypt(InBuff, OutBuff, &AESEncryptKey);
    }
    else if (strcmp(Type, "decode") == 0)
    {
        AES_KEY AESDecryptKey;
        AES_set_decrypt_key(key, 256, &AESDecryptKey);
        AES_decrypt(InBuff, OutBuff, &AESDecryptKey);
    }
}

有了上述算法封装，接下来笔者将依次演示这几种不同的加密函数是如何被应用的，首先简单介绍一下aes_cbc_encrypt与aes_cbc_decrypt这两个函数都是自己封装的AES加解密算法，这两个算法参数传递保持一致，第一个参数都是指定需要加密的缓冲区，第二个参数则是指定加密所使用的key，第三个参数是处理后的结果。

int main(int argc, char* argv[])
{
  char szBuffer[1024] = "hello lyshark";
  char szDst[1024] = { 0 };
  char szSrc[1024] = { 0 };

  // 计算一串密钥
  char key[AES_BLOCK_SIZE] = { 0 };
  for (int x = 0; x < AES_BLOCK_SIZE; x++)
  {
    key[x] = 32 + x;
  }

  // AES加密
  if (aes_cbc_encrypt(szBuffer, key, szDst) != 0)
  {
    std::cout << "加密后长度: " << strlen(szDst) << std::endl;
  }

  // AES解密
  if (aes_cbc_decrypt(szDst, key, szSrc) != 0)
  {
    std::cout << "解密内容: " << szSrc << std::endl;
  }

  system("pause");
  return 0;
}

上述代码片段则是通过AES实现对数据加解密处理的功能，如下是这段代码的输出效果；

第二种调用方式是采用API实现，其中的AES函数，通过AES_set_encrypt_key设置加密密钥，并直接调用AES_encrypt实现数据加密，反之，通过AES_set_decrypt_key设置解密密钥，并调用AES_decrypt解密，这段代码调用方式如下所示；

int main(int argc, char* argv[])
{
  unsigned char Buffer[1024] = "hello lyshark";
  unsigned char EncodeBuf[1024] = { 0 };
  unsigned char DecodeBuf[1024] = { 0 };
  unsigned char aes_key[32] = { 0 };

  // 随机生成密钥
  for (int x = 0; x < 32; x++)
  {
    int ch = rand() % 5;
    aes_key[x] = (char)ch;
  }

  AES(Buffer, EncodeBuf, (unsigned char *)aes_key, (char*)"encode");
  std::cout << "加密数据长度: " << strlen((char *)EncodeBuf) << std::endl;

  AES(EncodeBuf, DecodeBuf, (unsigned char*)aes_key, (char*)"decode");
  std::cout << "解密数据: " << DecodeBuf << std::endl;

  system("pause");
  return 0;
}

如上代码，通过调用AES函数时，传入encode实现数据加密，传入decode实现数据解密，如下图所示；