AES加解密-CBC ECB

要想学习AES，首先要清楚三个基本的概念：密钥、填充、模式。

1、密钥

密钥是AES算法实现加密和解密的根本。对称加密算法之所以对称，是因为这类算法对明文的加密和解密需要使用同一个密钥。

AES支持三种长度的密钥： 128位，192位，256位

平时大家所说的AES128，AES192，AES256，实际上就是指AES算法对不同长度密钥的使用。

三种密钥的区别：

从安全性来看，AES256安全性最高。从性能看，AES128性能最高。本质原因是它们的加密处理轮数不同。

2、填充

要想了解填充的概念，我们先要了解AES的分组加密特性。
什么是分组加密？

AES算法在对明文加密的时候，并不是把整个明文一股脑的加密成一整段密文，而是把明文拆分成一个个独立的明文块，每一个明文块长度128bit。

这些明文块经过AES加密器复杂处理，生成一个个独立的密文块，这些密文块拼接在一起，就是最终的AES加密的结果。

但这里涉及到一个问题，假如一段明文长度是196bit，如果按每128bit一个明文块来拆分的话，第二个明文块只有64bit，不足128bit。这时候怎么办呢？就需要对明文块进行填充（Padding） 。

几种典型的填充方式：

NoPadding： 不做任何填充，但是要求明文必须是16字节的整数倍。
PKCS5Padding（默认）： 如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字符，且每个字节的值等于缺少的字符数。 比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6 }
ISO10126Padding：如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字节，最后一个字符值等于缺少的字符数，其他字符填充随机数。比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则可能补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}
PKCS7Padding原理与PKCS5Padding相似，区别是PKCS5Padding的blocksize为8字节，而PKCS7Padding的blocksize可以为1到255字节

需要注意的是，如果在AES加密的时候使用了某一种填充方式，解密的时候也必须采用同样的填充方式。

3、模式

AES的工作模式，体现在把明文块加密成密文块的处理过程中。AES加密算法提供了五种不同的工作模式：CBC,ECB,CTR,CFB,OFB
模式之间的主题思想是近似的，在处理细节上有一些差别

AES加密算法 - 加密模式

ECB模式
　　优点:
　　1.简单；
　　2.有利于并行计算；
　　3.误差不会被传送；
　　缺点:
　　1.不能隐藏明文的模式；
　　2.可能对明文进行主动攻击；
CBC模式：
　　优点：
　　1.不容易主动攻击,安全性好于ECB,适合传输长度长的报文,是SSL、IPSec的标准。
　　缺点：
　　1.不利于并行计算；
　　2.误差传递；
　　3.需要初始化向量IV
CFB模式：
　　优点：
　　1.隐藏了明文模式;
　　2.分组密码转化为流模式;
　　3.可以及时加密传送小于分组的数据;
　　缺点:
　　1.不利于并行计算;
　　2.误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元;
　　3.唯一的IV;
ofb模式：
　　优点:
　　1.隐藏了明文模式;
　　2.分组密码转化为流模式;
　　3.可以及时加密传送小于分组的数据;
　　缺点:
　　1.不利于并行计算;
　　2.对明文的主动攻击是可能的;
　　3.误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元;

上面四个不同模式原理图链接：https://www.cnblogs.com/adylee/archive/2007/09/14/893438.html

3.1、ECB模式简介

2）、CBC模式简介

下图中，IV一般为16字节全0，数据块长度为16字节的整数倍，则在此数据块后附加一个8字节长的数据块，

附加的数据块为：16进制的“80 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00”

cbc本质上和ecb差别不大，唯一区别是将前一次加密结果，与要加密的内容异或。因此，cbc的并行性较差，因为每次都要等待前一次的结果，而ecb则不用，速度较快。其主要区别仍然看文章开头，原理图看参考链接。

3.2、AES算法ECB模式

生成加密/解密的Key

int AES_set_encrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits, AES_KEY *key);
int AES_set_decrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits, AES_KEY *key);

参数说明：

参数名称	描述
userKey	用户指定的密码。注意：只能是16、24、32字节。如果密码字符串长度不够，可以在字符串末尾追加一些特定的字符，或者重复密码字符串，直到满足最少的长度
bits	密码位数。即userKey的长度 * 8，只能是128、192、256位。
key	向外输出参数。

如果函数调用成功，返回0，否则是负数。

使用函数AES_ecb_encrypt对数据进行加解密

函数原型：

void AES_ecb_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, const AES_KEY *key, const int enc);

函数说明：

AES加密/解密单个数据块（16个字节），ECB模式

参数说明：

参数名称	描述
in	需要加密/解密的数据
out	计算后输出的数据
key	密钥
enc	AES_ENCRYPT 代表加密， AES_DECRYPT代表解密

3.3、AES算法CBC模式

生成加密/解密的Key

int AES_set_encrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits, AES_KEY *key);
int AES_set_decrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits, AES_KEY *key);

参数说明：

参数名称	描述
userKey	用户指定的密码。注意：只能是16、24、32字节。如果密码字符串长度不够，可以在字符串末尾追加一些特定的字符，或者重复密码字符串，直到满足最少的长度
bits	密码位数。即userKey的长度 * 8，只能是128、192、256位。
key	向外输出参数。

如果函数调用成功，返回0，否则是负数。

使用AES_cbc_encrypt对数据进行加解密

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

函数说明：

AES加密/解密单个数据块（16个字节），CBC模式

参数说明：

参数名称	描述
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	输出数据的实际长度。
key	使用AES_set_encrypt/decrypt_key生成的Key。
ivec	可读写的一块内存。长度必须是16字节。
enc	是否是加密操作。AES_ENCRYPT表示加密，AES_DECRYPT表示解密。

​ 这个函数比AES_encrypt多了一个ivec参数，ivec的内容可以任意指定，但是加密和解密操作必须使用同样的数据。在AES_cbc_encrypt底层，实际上是每16个字节做一次处理，先和ivec做异或运算，然后调用AES_encrypt函数进行加密。
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。

关于输出数据的长度
输出数据缓冲区的长度必须是16字节的倍数，加密完成后，比输入长度多出来的输出数据是不可以丢弃的。因此，存档的时候，需要记录原始数据的长度

关于输入数据的长度不必是16字节的倍数（做个备忘）：
下面是AES_cbc_encrypt函数的底层实现代码

    ... 
    //处理16字节倍数的数据
    while (len >= 16) {
        for (n = 0; n < 16; ++n)
            out[n] = in[n] ^ iv[n];
        (*block) (out, out, key); //调用AES_encrypt处理数据
        iv = out;
        len -= 16;
        in += 16;
        out += 16;
    }
    //当数据小于16字节的时候，进入下面的循环
    while (len) { 
        for (n = 0; n < 16 && n < len; ++n)
            out[n] = in[n] ^ iv[n];
        for (; n < 16; ++n)
            out[n] = iv[n]; //使用ivec补齐不足16字节的部分
        (*block) (out, out, key); //调用AES_encrypt处理数据
        iv = out;
        if (len <= 16)
            break;
        len -= 16;
        in += 16;
        out += 16;
    }

ECB与CBC都是封装下面的加密解密函数实现的。

使用AES加密/解密

void AES_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, const AES_KEY *key);
void AES_decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, const AES_KEY *key);

参数说明：

参数名称	描述
in	输入数据。必须是16字节
out	输出数据。必须是16字节
key	使用AES_set_encrypt/decrypt_key生成的Key。

AES_encrypt/AES_decrypt一次只处理16个字节。如果输入数据较长，你需要使用循环语句，每16个字节处理一次，直到所有数据处理完毕。如果数据不足16字节，可以用0填充至16字节。

4、加密解密后的长度

AES有几种扩展算法，其中ecb和cbc需要填充，即加密后长度可能会不一样，cfb和ofb不需要填充，密文长度和明文长度一样

5、实战代码

/usr/include/openssl/aes.h

#ifndef HEADER_AES_H
# define HEADER_AES_H

# include <openssl/opensslconf.h>

# ifdef OPENSSL_NO_AES
#  error AES is disabled.
# endif

# include <stddef.h>

# define AES_ENCRYPT     1
# define AES_DECRYPT     0

/*
 * Because array size can't be a const in C, the following two are macros.
 * Both sizes are in bytes.
 */
# define AES_MAXNR 14
# define AES_BLOCK_SIZE 16

#ifdef  __cplusplus
extern "C" {
#endif

/* This should be a hidden type, but EVP requires that the size be known */
struct aes_key_st {
# ifdef AES_LONG
    unsigned long rd_key[4 * (AES_MAXNR + 1)];
# else
    unsigned int rd_key[4 * (AES_MAXNR + 1)];
# endif
    int rounds;
};
typedef struct aes_key_st AES_KEY;

const char *AES_options(void);

int AES_set_encrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits,
                        AES_KEY *key);
int AES_set_decrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits,
                        AES_KEY *key);

int private_AES_set_encrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits,
                                AES_KEY *key);
int private_AES_set_decrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits,
                                AES_KEY *key);

void AES_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                 const AES_KEY *key);
void AES_decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                 const AES_KEY *key);

void AES_ecb_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                     const AES_KEY *key, const int enc);
void AES_cbc_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                     size_t length, const AES_KEY *key,
                     unsigned char *ivec, const int enc);
void AES_cfb128_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                        size_t length, const AES_KEY *key,
                        unsigned char *ivec, int *num, const int enc);
void AES_cfb1_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                      size_t length, const AES_KEY *key,
                      unsigned char *ivec, int *num, const int enc);
void AES_cfb8_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                      size_t length, const AES_KEY *key,
                      unsigned char *ivec, int *num, const int enc);
void AES_ofb128_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                        size_t length, const AES_KEY *key,
                        unsigned char *ivec, int *num);
void AES_ctr128_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                        size_t length, const AES_KEY *key,
                        unsigned char ivec[AES_BLOCK_SIZE],
                        unsigned char ecount_buf[AES_BLOCK_SIZE],
                        unsigned int *num);
/* NB: the IV is _two_ blocks long */
void AES_ige_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                     size_t length, const AES_KEY *key,
                     unsigned char *ivec, const int enc);
/* NB: the IV is _four_ blocks long */
void AES_bi_ige_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
                        size_t length, const AES_KEY *key,
                        const AES_KEY *key2, const unsigned char *ivec,
                        const int enc);

int AES_wrap_key(AES_KEY *key, const unsigned char *iv,
                 unsigned char *out,
                 const unsigned char *in, unsigned int inlen);
int AES_unwrap_key(AES_KEY *key, const unsigned char *iv,
                   unsigned char *out,
                   const unsigned char *in, unsigned int inlen);


#ifdef  __cplusplus
}
#endif

#endif                          /* !HEADER_AES_H */

5.1、CBC模式的实战代码

头文件：AES_CBC256.h

#ifndef _AES_CBC256_H_
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <openssl/aes.h>
#include <stddef.h>

#define _AES_CBC256_H_
#define USER_KEY_LENGTH 32
#define IVEC_LENGTH     16
#define AES_BLOCK_SIZE  16
#define BITS_LENGTH   (USER_KEY_LENGTH * 8)
class AES_CBC256 {

public:
     AES_CBC256();
     virtual ~AES_CBC256();
     // CBC Mode Encrypt
     bool AES_CBC256_Encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, size_t length);
     // CBC Mode Decrypt
     bool AES_CBC256_Decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, size_t length);

     unsigned char m_userKey [USER_KEY_LENGTH];
     unsigned char m_ivec [IVEC_LENGTH];  // Default value is all 0 of 16

};
#endif   // _AES_CBC256_H_

源文件：AES_CBC256.cpp

#ifndef _AES_CBC256_H_
#   include "AES_CBC256.h"
#endif

AES_CBC256::AES_CBC256() {
    memcpy(m_userKey, "XZJE151628AED2A6ABF7158809CF4F3C2B7E151628AED2A6ABF7158809CF4FTP", USER_KEY_LENGTH);
    memcpy(m_ivec, "XZJ2030405060708090A0B0C0D0E0FTP", IVEC_LENGTH);  // Vector initialization

}
AES_CBC256::~AES_CBC256() {

}

bool AES_CBC256::AES_CBC256_Encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, size_t length) {

    if (0 != (length % AES_BLOCK_SIZE)) {
        printf("%s\n", "the length is not multiple of AES_BLOCK_SIZE(16bytes)");
        return false;
    }
    unsigned char ivec [IVEC_LENGTH];
    memcpy(ivec, m_ivec, IVEC_LENGTH);
    AES_KEY key;
    // get the key with userkey
    if (AES_set_encrypt_key(m_userKey, BITS_LENGTH, &key) < 0) {
    	printf("%s\n", "get the key error");
    	return false;
    } else {
    	printf("%s\n", "get the key successful");
    }

    AES_cbc_encrypt(in, out, length, &key, ivec, AES_ENCRYPT);
    return true;
}

bool AES_CBC256::AES_CBC256_Decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, size_t length) {

    if (0 != (length % AES_BLOCK_SIZE)) {
        printf("%s\n", "the length is not multiple of AES_BLOCK_SIZE(16bytes)");
        return false;
    }
    unsigned char ivec [IVEC_LENGTH];
    memcpy(ivec, m_ivec, IVEC_LENGTH);
    AES_KEY key;
    // get the key with userkey
    if (AES_set_decrypt_key(m_userKey, BITS_LENGTH, &key) < 0) {
    	printf("%s\n", "get the key error");
    	return false;
    } else {
    	printf("%s\n", "get the key successful");
    }

    AES_cbc_encrypt(in, out, length, &key, ivec, AES_DECRYPT);
    return true;
}

入口测试文件：AES_main.cpp

#ifndef _AES_CBC256_H_
#   include "AES_CBC256.h"
#endif
#define NAME_SIZE 34

struct persion
{
    int age;
    unsigned char name [NAME_SIZE];
};


int main(int argc, char const *argv[])
{
    AES_CBC256 m_pcAES_CBC256;
    persion m_persion = {28,"xzj8023tp"};
    size_t length = 0;
    if (0 == (sizeof(persion) % AES_BLOCK_SIZE)) {
    	length = sizeof(persion);
    } else {
	length = sizeof(persion) + (AES_BLOCK_SIZE - sizeof(persion) % AES_BLOCK_SIZE);
    }
    unsigned char *encrypt_in_data  = new unsigned char[sizeof(persion)];
    unsigned char *encrypt_out_data  = new unsigned char[length];
    memcpy(encrypt_in_data, &m_persion, sizeof(persion));
    // encrypt
    bool encrypt_ret = m_pcAES_CBC256.AES_CBC256_Encrypt(encrypt_in_data, encrypt_out_data, length);
    if (false == encrypt_ret) {
	printf("encrypt error!\n");
    } else {
	printf("encrypt successful!\n");
    }

    //decrypt
    unsigned char *decrypt_out_data  = new unsigned char[length];
    bool decrypt_ret = m_pcAES_CBC256.AES_CBC256_Decrypt(encrypt_out_data, decrypt_out_data, length);
    if (false == decrypt_ret) {
	printf("decrypt error!\n");
    } else {
	printf("decrypt successful!\n");
	persion showData;
	memcpy(&showData, decrypt_out_data, sizeof(persion));
        printf("my name is [%s] and I am [%d] years old\n", showData.name, showData.age);
    }
    return 0;
}

当出现下面错误的时候

xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES$ g++ AES_main.cpp  AES_CBC256.cpp  -o main.run
/tmp/ccsNmQln.o：在函数‘AES_CBC256::AES_CBC256_Encrypt(unsigned char const*, unsigned char*, unsigned long)’中：
AES_CBC256.cpp:(.text+0x131)：对‘AES_set_encrypt_key’未定义的引用
AES_CBC256.cpp:(.text+0x184)：对‘AES_cbc_encrypt’未定义的引用
/tmp/ccsNmQln.o：在函数‘AES_CBC256::AES_CBC256_Decrypt(unsigned char const*, unsigned char*, unsigned long)’中：
AES_CBC256.cpp:(.text+0x235)：对‘AES_set_decrypt_key’未定义的引用
AES_CBC256.cpp:(.text+0x288)：对‘AES_cbc_encrypt’未定义的引用
collect2: error: ld returned 1 exit status

链接到openssl库 – 将其添加到您的命令行：-lssl -lcrypto

在Linux里的编译命令：

g++ AES_main.cpp  AES_CBC256.cpp  -o main.run -lssl -lcrypto

当出现下面错误openssl/aes.h: 没有那个文件或目录

xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES$ g++ AES_main.cpp  AES_CBC256.cpp  -o main.run
In file included from AES_main.cpp:2:0:
AES_CBC256.h:5:25: fatal error: openssl/aes.h: 没有那个文件或目录
 #include <openssl/aes.h>
                         ^
compilation terminated.
In file included from AES_CBC256.cpp:2:0:
AES_CBC256.h:5:25: fatal error: openssl/aes.h: 没有那个文件或目录
 #include <openssl/aes.h>
                         ^
compilation terminated.

解决办法：

sudo apt-get install openssl
sudo apt-get install libssl-dev

最后执行结果：

5.2、ECB模式的实战代码

头文件：AES_ECB256.h

#ifndef _AES_ECB256_H_
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <openssl/aes.h>
#include <stddef.h>

#define _AES_ECB256_H_
#define USER_KEY_LENGTH 32
#define AES_BLOCK_SIZE  16
#define BITS_LENGTH   (USER_KEY_LENGTH * 8)
class AES_ECB256 {

public:
     AES_ECB256();
     virtual ~AES_ECB256();
     // CBC Mode Encrypt
     bool AES_ECB256_Encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out);
     // CBC Mode Decrypt
     bool AES_ECB256_Decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out);

     unsigned char m_userKey [USER_KEY_LENGTH];

};
#endif   // _AES_ECB256_H_

源文件：AES_ECB256.cpp

#ifndef _AES_ECB256_H_
#   include "AES_ECB256.h"
#endif

AES_ECB256::AES_ECB256() {
    memcpy(m_userKey, "XZJE151628AED2A6ABF7158809CF4F3C2B7E151628AED2A6ABF7158809CF4FTP", USER_KEY_LENGTH);

}
AES_ECB256::~AES_ECB256() {

}

bool AES_ECB256::AES_ECB256_Encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out) {

    AES_KEY key;
    // get the key with userkey
    if (AES_set_encrypt_key(m_userKey, BITS_LENGTH, &key) < 0) {
    	printf("%s\n", "get the key error");
    	return false;
    } else {
    	printf("%s\n", "get the key successful");
    }

    AES_ecb_encrypt(in, out, &key, AES_ENCRYPT);
    return true;
}

bool AES_ECB256::AES_ECB256_Decrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out) {

    AES_KEY key;
    // get the key with userkey
    if (AES_set_decrypt_key(m_userKey, BITS_LENGTH, &key) < 0) {
    	printf("%s\n", "get the key error");
    	return false;
    } else {
    	printf("%s\n", "get the key successful");
    }

    AES_ecb_encrypt(in, out, &key, AES_DECRYPT);
    return true;
}

入口测试文件：ECB_main.cpp

#ifndef _AES_ECB256_H_
#   include "AES_ECB256.h"
#endif
#define NAME_SIZE 34

struct persion
{
    int age;
    unsigned char name [NAME_SIZE];
};


int main(int argc, char const *argv[])
{
    AES_ECB256 m_pcAES_ECB256;
    persion m_persion = {28,"xzj8023tp"};
    unsigned char *encrypt_in_data  = new unsigned char[sizeof(persion)];
    unsigned char *encrypt_out_data  = new unsigned char[sizeof(persion)];
    memcpy(encrypt_in_data, &m_persion, sizeof(persion));
    // encrypt
    bool encrypt_ret = m_pcAES_ECB256.AES_ECB256_Encrypt(encrypt_in_data, encrypt_out_data);
    if (false == encrypt_ret) {
	printf("encrypt error!\n");
    } else {
	printf("encrypt successful!\n");
    }

    //decrypt
    unsigned char *decrypt_out_data  = new unsigned char[sizeof(persion)];
    bool decrypt_ret = m_pcAES_ECB256.AES_ECB256_Decrypt(encrypt_out_data, decrypt_out_data);
    if (false == decrypt_ret) {
	printf("decrypt error!\n");
    } else {
	printf("decrypt successful!\n");
	persion showData;
	memcpy(&showData, decrypt_out_data, sizeof(persion));
        printf("my name is [%s] and I am [%d] years old\n", showData.name, showData.age);
    }
    return 0;
}

最后执行结果：

xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES/AES_ECB$ g++ AES_ECB256.cpp  ECB_main.cpp  -o main_run -lssl -lcrypto
xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES/AES_ECB$ ls
AES_ECB256.cpp  AES_ECB256.h  ECB_main.cpp  main_run
xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES/AES_ECB$ ./main_run 
get the key successful
encrypt successful!
get the key successful
decrypt successful!
my name is [xzj8023tp] and I am [28] years old
xzj@xzj-virtual-machine:~/Code/C++Code/AES/AES_ECB$