極簡加解密庫--使數(shù)據(jù)傳輸更加安全

概述

• 互聯(lián)網(wǎng)時代，安全成為了一個沉重的話題。文件傳輸、電子郵件等的安全性尤為重要。我們?yōu)榱吮ＷC安全性，必須對其內(nèi)容加密，
• 加密的作用就是防止有用或私有化信息在傳輸鏈路上被攔截和竊取。提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/li>
• 在嵌入式開發(fā)中，我們會涉及到數(shù)據(jù)的傳輸，文件的傳輸。很多人都沒有考慮其數(shù)據(jù)的安全性問題，往往都是明文的方式傳輸，最多增加CRC進(jìn)行數(shù)據(jù)的完整性校驗。這明顯沒有考慮數(shù)據(jù)的安全性問題。
• 最近項目遇到安全性問題，所以也開始折磨一下加密相關(guān)知識，發(fā)現(xiàn)RT-THREAD有個比較好軟件包--tinycrypt（一個簡小并且可配置的加解密軟件包，包含算法：aes，base64，md5，sha1，sha2）。其中：AES剛好符合我的項目需求。

AES加密算法

AES加密標(biāo)準(zhǔn)又稱為高級加密標(biāo)準(zhǔn)Rijndael加密法，是美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所NIST旨在取代DES的21世紀(jì)的加密標(biāo)準(zhǔn)。AES的基本要求是，采用對稱分組密碼體制，密鑰長度可以為128、192或256位，分組長度128位。AES算法是最為常見的額對稱加密算法之一。

AES加密流程說明：

AES的加解密流程圖如下：

加解密流程圖部件說明：

• 明文P：沒有經(jīng)過加密的數(shù)據(jù)或文件。
• 密鑰K：用來加密明文P的密鑰，在對稱加密算法中，加密與解密的密鑰是相同的。密鑰為接收方與發(fā)送方協(xié)商產(chǎn)生，但不可以直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，否則會導(dǎo)致密鑰泄漏，通常是通過非對稱加密算法加密密鑰，然后再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給對方，或者直接面對面商量密鑰。密鑰是絕對不可以泄漏的，否則會被攻擊者還原密文，竊取機(jī)密數(shù)據(jù)。
• AES加密函數(shù)：設(shè)AES加密函數(shù)為E，則 C = E（K + P），其中P為明文，K為密鑰，C為密文。也就是說，把明文P和密鑰K作為加密函數(shù)的參數(shù)輸入，則加密函數(shù)E會輸出密文C。
• 密文C：通過密鑰對明文進(jìn)行加密處理后的數(shù)據(jù)或文件。
• AES解密函數(shù)：設(shè)AES解密函數(shù)為D，則 P = D（K + C），其中C為密文，K為密鑰，P為明文。也就是說，把密文C和密鑰K作為解密函數(shù)的參數(shù)輸入，則解密函數(shù)會輸出明文P。

AES加密方法：

1. AES為分組加密，分組加密也就是把明文分成一組一組的，每組的長度相等，每次加密一組數(shù)據(jù)，直到加密完整個明文。

2. 在AES標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，分組長度只能是128位，也就是說，每個分組為16個字節(jié)，每個字節(jié)8位，密鑰的長度可以使用128位、192位或者258位。密鑰的長度不同，推薦加密輪數(shù)也不同，比如AES-128也就是密鑰的長度為128位，加密輪數(shù)為10輪，AES-192為12輪，AES-256為14輪。以AES-128為例，加密中一輪的4個操作：

• 字節(jié)代換：AES的字符代換其實就是一個簡單的查表操作，AES定義了一個S盒和一個逆S盒。
• 行位移：就是一個簡單的左循環(huán)移位操作。
• 列混合：是通過矩陣相乘來實現(xiàn)的，經(jīng)過移位后的狀態(tài)矩陣與固定的矩陣相乘，得到混淆后的狀態(tài)矩陣。
• 輪密鑰加：是將128位輪密鑰Ki同狀態(tài)矩陣中的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐位異或操作。

3. 加密：加密第1輪到第9輪的輪函數(shù)一樣，最后一輪迭代不執(zhí)行列混合，另外，在第一輪迭代之前，先將明文和原始密鑰進(jìn)行一次異或加密操作。
4. 解密：解密過程仍為10輪，每一輪的操作是加密操作的逆操作。由于AES的4個輪操作都是可逆的，因此，解密操作的一輪就是順序執(zhí)行逆行移位、逆字節(jié)代換、輪密鑰加和逆列混合。同加密操作類似，最后一輪不執(zhí)行逆列混合，在第1輪解密之前，要執(zhí)行1次密鑰加操作。

tinycrypt的AES使用

1. tinycrypt這個軟件包精簡使用起來很方便，其包含了源碼和測試用例（AES和MD5），tinycrypt軟件包的目錄結(jié)構(gòu)如下：

.
├──include
│├──tiny_aes.h//aes頭文件
│├──tiny_base64.h//base64頭文件
│├──tinycrypt_config.h//tinycrypt配置頭文件
│├──tinycrypt.h//tinycrypt頭文件
│├──tiny_md5.h//md5頭文件
│├──tiny_sha1.h//sha1頭文件
│└──tiny_sha2.h//sha2頭文件
├──LICENSE
├──README.md
├──samples
│├──aes_sample.c//aes測試用例頭文件
│└──md5_sample.c//md5測試用例頭文件
└──src
├──tiny_aes.c//aes源文件
├──tiny_base64.c//base64源文件
├──tiny_md5.c//md5頭文件
├──tiny_sha1.c//sha1頭文件
└──tiny_sha2.c//sha2頭文件

2. 在Ubuntu環(huán)境下，搭建tinycrypt的環(huán)境，測試加解密文件，目錄結(jié)構(gòu)如下：

.
├──main.c
├──makefile
└──tinycrypt
├──include
│├──tiny_aes.h
│├──tiny_base64.h
│├──tinycrypt_config.h
│├──tinycrypt.h
│├──tiny_md5.h
│├──tiny_sha1.h
│└──tiny_sha2.h
├──LICENSE
├──README.md
├──samples
│├──aes_sample.c
│└──md5_sample.c
└──src
├──tiny_aes.c
├──tiny_base64.c
├──tiny_md5.c
├──tiny_sha1.c
└──tiny_sha2.c

• 在目錄中增加makefile文件和main.c，其中makefile用于構(gòu)建工程，main.c用于編寫我們的測試代碼，其中：

• makefile文件內(nèi)容：

VERSION=1.0.0#版本號

SOURCE=main.c#源文件
SOURCE+=$(wildcard./tinycrypt/src/*.c)#通過wildcard函數(shù)獲取tinycrypt源文件
OBJECT=$(patsubst%.c,%.o,$(SOURCE))#通過patsubst函數(shù)替換源文件為目標(biāo)文件

INCLUDE=-I./tinycrypt/include#包含頭文件路徑

TARGET=tinycrypt#目標(biāo)文件名字
CC=gcc#工具鏈
CFLAGS=-Wall-g#編譯選項

OUTPUT=output#輸出目錄

$(TARGET):$(OBJECT)#構(gòu)建執(zhí)行命令
@mkdir-p$(OUTPUT)#創(chuàng)建輸出目錄
$(CC)$^$(CFLAGS)-o$(OUTPUT)/$(TARGET)_$(VERSION)#編譯

%.o:%.c#將源文件編譯成目標(biāo)文件
$(CC)$(INCLUDE)$(CFLAGS)-c$

• main.c文件內(nèi)容，測試歷程說明：將一個文件（index.js）通過AES加密，然后生成加密文件（encrypt_index.js）,再將加密文件（encrypt_index.js）通過AES解密，生成解密文件（decrypt_index.js）。

#include
#include
#include
#include

#include
#include

#include
#include

#include"tiny_aes.h"

#defineENCRYPT_TEST_FILE"./index.js"
#defineENCRYPT_TEST_ENCRYPT_FILE"./encrypt_index.js"
#defineENCRYPT_TEST_DECRYPT_FILE"./decrypt_index.js"

#defineENCRYPT_SINGLE_SIZE1024//加密單包長度

#defineENCRYPT_AES_IV_LEN16//AES向量長度
#defineENCRYPT_AES_KEY_LEN256//AES密鑰長度
#defineENCRYPT_AES_IV"0123456789ABCDEF"//AES向量
#defineENCRYPT_AES_KEY"0123456789ABCDEF0123456789ABCDEF"//AES密鑰
//AES參數(shù)結(jié)構(gòu)體定義
typedefstruct
{
uint8_taesIv[ENCRYPT_AES_IV_LEN];
uint8_taesKey[ENCRYPT_AES_KEY_LEN];
tiny_aes_contextaes_ctx;
}EncryptInfo;

staticEncryptInfog_info={0};
//aes參數(shù)初始化
voidaes_init(constchar*iv,constchar*key)
{
memset(g_info.aesIv,0,ENCRYPT_AES_IV_LEN);
memset(g_info.aesKey,0,ENCRYPT_AES_KEY_LEN);
if(iv==NULL){
memcpy(g_info.aesIv,ENCRYPT_AES_IV,strlen(ENCRYPT_AES_IV));
}
else{
memcpy(g_info.aesIv,iv,strlen(iv));
}
if(key==NULL){
memcpy(g_info.aesKey,ENCRYPT_AES_KEY,strlen(ENCRYPT_AES_KEY));
}
else{
memcpy(g_info.aesKey,key,strlen(key));
}
}
//aes加密函數(shù)的封裝
voidaes_encrypt(uint8_t*dest_buff,constuint8_t*src_buff,uint32_tlen)
{
tiny_aes_crypt_cbc(&g_info.aes_ctx,AES_ENCRYPT,len,g_info.aesIv,(uint8_t*)src_buff,dest_buff);
}
//aes解密函數(shù)的封裝
voidaes_decrypt(uint8_t*dest_buff,constuint8_t*src_buff,uint32_tlen)
{
tiny_aes_crypt_cbc(&g_info.aes_ctx,AES_DECRYPT,len,g_info.aesIv,(uint8_t*)src_buff,dest_buff);
}

intmain(intargc,char*argv[])
{
intraw_size=0;
intsrc_fd=-1;
intencrypt_fd=-1;
intdecrypt_fd=-1;
intsrc_file_size=0;
intsrv_file_offset=0;
uint8_tsrc_buff[ENCRYPT_SINGLE_SIZE];
uint8_tencrypt_buff[ENCRYPT_SINGLE_SIZE];
uint8_tdecrypt_buff[ENCRYPT_SINGLE_SIZE];

//加密文件，將明文文件（index.js）通過AES加密為加密文件（encrypt_index.js）
{
aes_init(NULL,NULL);//aes初始化
tiny_aes_setkey_enc(&g_info.aes_ctx,(uint8_t*)g_info.aesKey,ENCRYPT_AES_KEY_LEN);//設(shè)置密鑰
src_fd=open(ENCRYPT_TEST_FILE,O_RDONLY,0777);//打開明文文件
if(src_fd==-1){
printf("%d-ERR:openfile(%s)failedrn",__LINE__,ENCRYPT_TEST_FILE);
return-1;
}

encrypt_fd=open(ENCRYPT_TEST_ENCRYPT_FILE,O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0777);//打開加密文件
if(encrypt_fd==-1){
printf("%d-ERR:openfile(%s)failedrn",__LINE__,ENCRYPT_TEST_ENCRYPT_FILE);
return-1;
}

raw_size=lseek(src_fd,0,SEEK_END);//獲取明文文件的大小
srv_file_offset=0;
lseek(src_fd,0,SEEK_SET);
printf("%d-INFO:sourcefilesize:%drn",__LINE__,raw_size);

while(srv_file_offsetmemset(src_buff,0,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);
memset(encrypt_buff,0,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);
read(src_fd,src_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//讀取明文文件內(nèi)容
aes_encrypt(encrypt_buff,src_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//明文文件內(nèi)容加密
write(encrypt_fd,encrypt_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//將加密內(nèi)容寫入加密文件中
srv_file_offset+=ENCRYPT_SINGLE_SIZE;
}
close(src_fd);
src_fd=-1;
close(encrypt_fd);
encrypt_fd=-1;
}

//解密文件，將加密文件（encrypt_index.js）通過AES解密為解密文件（decrypt_index.js）
{
aes_init(NULL,NULL);//aes初始化
tiny_aes_setkey_dec(&g_info.aes_ctx,(uint8_t*)g_info.aesKey,ENCRYPT_AES_KEY_LEN);//設(shè)置密鑰
src_fd=open(ENCRYPT_TEST_ENCRYPT_FILE,O_RDONLY,0777);//打開密文文件
if(src_fd==-1){
printf("%d-ERR:openfile(%s)failedrn",__LINE__,ENCRYPT_TEST_ENCRYPT_FILE);
return-1;
}

decrypt_fd=open(ENCRYPT_TEST_DECRYPT_FILE,O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0777);//打開解密文件
if(decrypt_fd==-1){
printf("%d-ERR:openfile(%s)failedrn",__LINE__,ENCRYPT_TEST_DECRYPT_FILE);
return-1;
}

src_file_size=raw_size;//設(shè)置明文文件的大小
srv_file_offset=0;
lseek(src_fd,0,SEEK_SET);
printf("%d-INFO:encryptfilesize:%drn",__LINE__,src_file_size);

while(srv_file_offsetmemset(src_buff,0,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);
memset(decrypt_buff,0,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);
if((srv_file_offset+ENCRYPT_SINGLE_SIZE)//讀取密文文件內(nèi)容
aes_decrypt(decrypt_buff,src_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//密文文件解密
write(decrypt_fd,decrypt_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//將解密內(nèi)容寫入解密文件中
srv_file_offset+=ENCRYPT_SINGLE_SIZE;
}
else
{
read(src_fd,src_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//讀取最后一包密文文件內(nèi)容
aes_decrypt(decrypt_buff,src_buff,(ENCRYPT_SINGLE_SIZE));//密文文件解密
write(decrypt_fd,decrypt_buff,(src_file_size-srv_file_offset));//將最后一包解密內(nèi)容寫入解密文件中
break;
}
}
close(src_fd);
src_fd=-1;
close(decrypt_fd);
decrypt_fd=-1;
}

return0;
}

3. 驗證時發(fā)現(xiàn)一個問題，加密內(nèi)容的長度需要16字節(jié)的整數(shù)倍，所以加密完的文件大小也為16字節(jié)的整數(shù)倍。值得注意的是，解密的最后一包要根據(jù)明文文件的大小算出來的，然后寫進(jìn)解密文件中，因為加密文件是16字節(jié)對齊的，所以要去除16字節(jié)對齊。

4. 編譯及運行：

rice@rice:~/project/encrypt$make
gcc-I./tinycrypt/include-Wall-g-cmain.c-omain.o
gcc-I./tinycrypt/include-Wall-g-ctinycrypt/src/tiny_sha1.c-otinycrypt/src/tiny_sha1.o
gcc-I./tinycrypt/include-Wall-g-ctinycrypt/src/tiny_aes.c-otinycrypt/src/tiny_aes.o
gcc-I./tinycrypt/include-Wall-g-ctinycrypt/src/tiny_md5.c-otinycrypt/src/tiny_md5.o
gcc-I./tinycrypt/include-Wall-g-ctinycrypt/src/tiny_sha2.c-otinycrypt/src/tiny_sha2.o
gcc-I./tinycrypt/include-Wall-g-ctinycrypt/src/tiny_base64.c-otinycrypt/src/tiny_base64.o
gccmain.otinycrypt/src/tiny_sha1.otinycrypt/src/tiny_aes.otinycrypt/src/tiny_md5.otinycrypt/src/tiny_sha2.otinycrypt/src/tiny_base64.o-Wall-g-ooutput/tinycrypt_1.0.0
rice@rice:~/ohos/project/encrypt$./output/tinycrypt_1.0.0
136-INFO:sourcefilesize:445
171-INFO:encryptfilesize:445
rice@rice:~/ohos/project/encrypt$

5. 演示結(jié)果：

結(jié)論：

1. 通過加密方式，提高數(shù)據(jù)的安全性，避免了數(shù)據(jù)的泄露
2. AES加密方式，加密內(nèi)容的長度需要16字節(jié)的整數(shù)倍，加密之后長度比實際明文可能要長。所以明文的長度需要告知解密方。
3. AES是對稱加密，所以加密方和解密方的密鑰需要一直。