正确使用AES对称加密
正确使用AES对称加密
经常我看到项目中有人使用了对称加密算法，用来加密客户或项目传输中的部分数据。但我注意到开发 人员由于不熟悉原理，或者简单复制网上的代码示例，有导致代码存在安全风险。
我经常遇到的问题，有如下：
- 如使用了过时的加密算法（如DES）
- 设置了不安全的加密模式（ECB）
- 不正确地处理初始向量（IV）
对称加密算法
| 算法 | 位长 | 建议 |
|---|---|---|
| RC4 | 40 | |
| DES | 56 | |
| 3DES | 112 | |
| AES | 128 | ✔ |
TL;DR:
RC4/DES/3DES都 不符合 加密/破解的安全性要求。
DES是56位加密，听起来感觉3DES应该是168位，但实际上其有效加密位长只有112位。
其它更长的加密算法，如AES 192位/AES 256位也符合要求。
加密模式
TL;DR: 不要使用ECB。
ECB不需要初始向量（IV），这个“惊人”的发现常常让开发简单粗暴地设计为ECB。ECB的问题在于输入和输出存在非常明显的关联，攻击者可以从输出轻松地猜出输入数据。
C#的AES算法默认模式为CBC，该算法没有上述的安全问题，而且最为通用，可以使用该模式。
初始向量
TL;DR:
初始向量 必须 为完全随机数，完全随机数应该使用RandomNumberGenerator进行加密。
回想这个问题，数据加密完后，该发送什么给接收方？仅数据？那么初始向量（IV）怎么办？
大多数开发选择的办法是，写一个固定的初始向量（IV）用于加密，然后解密时，也使用相同的初始向量。这样就导致相同的输入会产生相同的输出。
为什么相同的输入应该产生不同的输出？因为根据历史经验，攻击者可以获取一些信息，知道某个确定输入的含义。一旦再次捕获到相同的加密数据，就能轻易破解。
所以，发送数据应该包含：版本+初始向量+数据。
面向字符串
加密是面向字节还是字符串？我认为应该面向字节。如果面向字符串，那么很多问题很难受到重视。
试着回答这个问题：
- 用户的密码是什么样子的？
- 是长度为固定32位的HEX字符吗？如
1C8F7B2C9759209C6ACC3C105D39BBAC？ - 还是用户想输入什么就输入什么？如
My-Super-Str0ng-Password!!？
我认为加密算法应该面向字节流/字节数据，而不是字符串。将字符串发送给客户、放在JSON中进行端对端传输，是没什么毛病的做法。但基于以下原因，我强烈建议加密/解密算法要基于字节数据：
- 避免密码太长或太短的问题
- 来回转换为字符串效率低下
- 字符串转换为字节数组容易，其它数据序列化为字节数据也容易
我的加密/解密方法
// 代码按原样提供，可随意使用，但不对其安全性作任何保证。
string Encrypt(string password, string purpose, byte[] plainBytes)
{
byte[] key = PasswordToKey(password, purpose);
using (var aes = Aes.Create())
{
aes.Key = key;
using (ICryptoTransform encryptor = aes.CreateEncryptor())
{
byte[] cipherBytes = encryptor.TransformFinalBlock(plainBytes, 0, plainBytes.Length);
byte[] packedBytes = Pack(
version: 1,
iv: aes.IV,
cipherBytes: cipherBytes);
return Base64UrlEncode(packedBytes);
}
}
}
byte[] Decrypt(string packedString, string password, string purpose)
{
byte[] key = PasswordToKey(password, purpose);
byte[] packedBytes = Base64UrlDecode(packedString);
(byte version, byte[] iv, byte[] cipherBytes) = Unpack(packedBytes);
using (var aes = Aes.Create())
{
using (ICryptoTransform decryptor = aes.CreateDecryptor(key, iv))
{
return decryptor.TransformFinalBlock(cipherBytes, 0, cipherBytes.Length);
}
}
}
其中公共方法：
// 代码按原样提供，可随意使用，但不对其安全性作任何保证。
byte[] PasswordToKey(string password, string purpose)
{
using (var hmac = new HMACMD5(Encoding.UTF8.GetBytes(purpose)))
{
return hmac.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(password));
}
}
string Base64UrlEncode(byte[] bytes)
{
return Convert.ToBase64String(bytes)
.Replace("/", "_")
.Replace("+", "-")
.Replace("=", "");
}
byte[] Base64UrlDecode(string base64Url)
{
return Convert.FromBase64String(base64Url
.Replace("_", "/")
.Replace("-", "+"));
}
(byte version, byte[] iv, byte[] cipherBytes) Unpack(byte[] packedBytes)
{
if (packedBytes[0] == 1)
{
// version 1
return (1, packedBytes[1..1 + 16], packedBytes[1 + 16..]);
}
else
{
throw new NotImplementedException("unknown version");
}
}
byte[] Pack(byte version, byte[] iv, byte[] cipherBytes)
{
return new[] { version }.Concat(iv).Concat(cipherBytes).ToArray();
}
解释:
- Base64UrlEncode/Decode：用于将字符串在Url上传输，将
+/=转换成：-_ - Pack/Unpack：将版本/初始向量/密文打包/解包
- PasswordToKey：将长度不一样密码，加上
purpose，转换为长度一样的key，其中改成HMACSHA256可以使用256位的AES算法。
测试代码：
// 代码按原样提供，可随意使用，但不对其安全性作任何保证。
string purpose = "这个算法是用来搞SSO的";
// 返回：AcfCe3AQcmNkeNThv-u09H_HyGKy_iRy-7uGiW0IZOHI
Encrypt("密码here", purpose, Encoding.UTF8.GetBytes("Hello World"));
// 返回：Hello World
Encoding.UTF8.GetString(Decrypt("AcfCe3AQcmNkeNThv-u09H_HyGKy_iRy-7uGiW0IZOHI", "密码here", purpose));
