App Development: 10月 2012

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）又叫Rijndael加密法，用来替代DES算法。常见AES加密模式有ECB、CBC、CFB、OFB和CTR等五种， CFB、OFB都带反馈，做流加密用的多，CBC和CTR、ECB多用于独立block加密，由于ECB算法有点小缺点，所以CBC和CTR这两种加解密方式用的较多，也是很多标准规范要求的实现算法，下面看一下这两种算法原理。

AES跟Rijndael相比有点小区别，就是使用固定块（block size）为128bits（16字节）（原Rijndael块大小更灵活），密钥长度支持128、192或256位。

一、AES CBC加解密原理

CBC加解密原理如下图所示（图片来源维基百科，参考文末地址）：

CBC加密原理：明文跟向量异或，再用KEY进行加密，结果作为下个BLOCK的初始化向量。解密原理：使用密钥先对密文解密，解密后再同初始向量异或得到明文。

CBC需要对明文块大小进行Padding（补位），由于前后加密的相关性，只能实施串行化动作，无法并行运算。另外，CBC需要参量：密钥和初始化向量。

二、AES CTR加解密原理

CTR加密原理：用密钥对输入的计数器加密，然后同明文异或得到密文。解密原理：用密钥对输入计数器加密，然后同密文异或得到明文。

CTR不需要Padding，而且采用了流密钥方式加解密，适合于并行运算，CTR涉及参量：Nounce随机数、Counter计数器和密钥。Nounce随机数和Counter计数器整体可看作计数器，因为只要算法约定好，就可以回避掉串行化运算。

三、AES CBC和CTR加解密实例

下文实例使用了第三方开源源码，官方网址：http://www.gladman.me.uk/，本文测试源码来源：http://gladman.plushost.co.uk/oldsite/AES/index.php，测试时，如下源码文件需加入工程：aes_modes.c、aescrypt.c、aeskey.c、aestab.c。

测试源码如下：

001#include <iostream>

002#include <string>

003#include <time.h>

004 

005#include "aes/aes.h"

006 

007typedef unsigned char uint8;

008typedef char          int8;

009typedef unsigned shortuint16;

010typedef short         int16;

011typedef unsigned int  uint32;

012typedef int           int32;

013 

014typedef unsigned __int64uint64;

015typedef __int64         int64;

016/******************************

017For _LINUX

018typedef long   long    int64;

019typedef unsigned long  long  uint64;

020******************************/

021 

022using namespacestd;

023 

024//same as function rfc3686_inc

025void ctr_inc(unsigned charctr_buf[16])

026{

027    if(!(++(ctr_buf[15])))

028        if(!(++(ctr_buf[14])))

029            if(!(++(ctr_buf[13])))

030                ++(ctr_buf[12]);

031}

032 

033//same as function rfc3686_init

034//4Bytes nounce+8Bytes iv+4Bytes counter

035void ctr_init( unsigned char nonce[4], unsigned char iv[8], unsigned charctr_buf[16])

036{

037    memcpy(ctr_buf, nonce, 4);

038    memcpy(ctr_buf +  4, iv, 8);

039    memset(ctr_buf + 12, 0, 4);

040    ctr_inc(ctr_buf);

041}

042 

043void print_hex(uint8* buf, uint64 len) {

044    //Print results:

045    for(int i=0;i<len;i++) {

046        printf("%02X",buf[i]);

047        if(15 == i%16)

048            printf("\n");

049    }

050    printf("\n");

051}

052 

053void main() {

054     

055    uint8   key[]   = {0x10,0xa5,0x88,0x69,0xd7,0x4b,0xe5,0xa3,0x74,0xcf,   0x86,0x7c,0xfb,0x47,0x38,0x59};//AES::DEFAULT_KEYLENGTH

056    uint8   buf[16];//tmp buffer

057 

058    uint8   msg[]   ="HelloWorld!23456";

059    uint64  fsize=strlen((char*)msg);//message size

060    uint8*  DataBuf=new uint8[1024];//Data Buffer

061 

062 

063    //AES with CBC

064    printf("AES with CBC\n");          

065     

066    //Copy data

067    memset(DataBuf,0,1024);

068    strcpy((char*)DataBuf,(char*)msg);

069    uint8* pDataBuf = DataBuf;//tmp pointer

070    uint8   iv1[]   = {0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,   0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};

071 

072    uint64  iEncryptTimes = fsize/16+1;

073    uint8   iPaddings     = 16-fsize%16;//Padding size

074    uint64  newlen = fsize+iPaddings;//New length

075     

076    //memcpy(DataBuf,iv,16);//Save iv

077    memset(pDataBuf+fsize, iPaddings,iPaddings);//Padding

078    printf("input   =\n");

079    print_hex(DataBuf,newlen);

080    aes_encrypt_ctx en_ctx[1];//Init encrypt

081     

082    //Encrypt

083    for(uint64 i=0;i<iEncryptTimes;i++) {

084        aes_encrypt_key128(key,en_ctx);

085        aes_cbc_encrypt(pDataBuf,buf,16,iv1,en_ctx);//iv has been changed, ctx has been changed!!!

086        memcpy(pDataBuf,buf,16);

087        pDataBuf += 16;

088    }

089     

090    printf("encrypt =\n");

091    print_hex(DataBuf,newlen);

092     

093    //Decrypt

094    pDataBuf = DataBuf;

095    uint8   iv2[]       = {0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,   0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};

096    uint8   buf3[256]={'\0'};

097    aes_decrypt_ctx de_ctx[1];

098    aes_decrypt_key128(key,de_ctx);

099    aes_cbc_decrypt(pDataBuf,buf3,newlen,iv2,de_ctx);

100     

101    printf("decrypt =\n");

102    print_hex(buf3,newlen);

103     

104    //================================

105 

106    printf("AES with CTR\n");          

107    //Copy data

108    memset(DataBuf,0,1024);

109    strcpy((char*)DataBuf,(char*)msg);

110    pDataBuf = DataBuf;//tmp pointer

111    uint8   iv3[]   = {0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,   0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};

112 

113    iEncryptTimes = fsize/16;

114    uint8   iRemain       = fsize%16;

115    uint8   ctr_buf[AES_BLOCK_SIZE];

116     

117    //Save iv(as ctrl buffer)

118    //memcpy(DataBuf,iv,16);

119    printf("input   =\n");

120    print_hex(DataBuf,fsize);

121     

122    //Init encrypt

123    //aes_encrypt_ctx en_ctx[1];

124     

125    //Encrypt

126    for(i=0;i<iEncryptTimes;i++) {

127        aes_encrypt_key128(key,en_ctx);

128        ctr_init(iv3,iv3+4,ctr_buf);//we set iv as the nouce

129        aes_ctr_encrypt(pDataBuf,buf,16,ctr_buf,ctr_inc,en_ctx);//iv has been changed, ctx has been changed!!!

130        memcpy(pDataBuf,buf,16);

131        pDataBuf += 16;

132    }

133     

134    if(iRemain!=0) {//last times

135        pDataBuf += i*16;

136        aes_encrypt_key128(key,en_ctx);

137        ctr_init(iv3,iv3+4,ctr_buf);//we set iv as the nouce

138        aes_ctr_encrypt(pDataBuf,buf,iRemain,ctr_buf,ctr_inc,en_ctx);//iv has been changed, ctx has been changed!!!

139        memcpy(pDataBuf,buf,iRemain);

140    }

141     

142    printf("encrypt =\n");

143    print_hex(DataBuf,fsize);

144     

145    //Decrypt

146    pDataBuf = DataBuf;

147    uint8   iv4[]       = {0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,   0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};

148    //uint8 buf3[256]={'\0'};

149    //aes_decrypt_ctx de_ctx[1];

150    //aes_decrypt_key128(key,de_ctx);

151    aes_encrypt_key128(key,en_ctx);

152    ctr_init(iv4,iv4+4,ctr_buf);//we set iv as the nouce

153    aes_ctr_decrypt(pDataBuf,buf3,16,ctr_buf,ctr_inc,en_ctx);

154    printf("decrypt =\n");

155    print_hex(buf3,fsize);

156     

157    printf("\n");

158}

输出如下（CBC未去掉Padding）：

AES with CBC
input =
48656C6C6F576F726C64213233343536
10101010101010101010101010101010
encrypt =
F928E09884AA2BA8CC4B73C09304250C
C9A0EEFF2295B5D83BEA0410001BD7C6
decrypt =
48656C6C6F576F726C64213233343536
10101010101010101010101010101010
AES with CTR
input =
48656C6C6F576F726C64213233343536
encrypt =
1CA0978FE499969C769B6346D46B66F9
decrypt =
48656C6C6F576F726C64213233343536

参考资料：

http://zh.wikipedia.org/wiki/高级加密标准

http://zh.wikipedia.org/zh/块密码的工作模式

2012年10月31日 星期三

AES CBC和CTR加解密实例

一、AES CBC加解密原理

二、AES CTR加解密原理

三、AES CBC和CTR加解密实例

2012年10月31日星期三