实战篇-OpenSSL之AES加密算法-CFB1模式

全栈程序员站长

发布于 2022-07-25 12:16:45

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大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

本文属于《OpenSSL加密算法库使用系列教程》之一，欢迎查看其它文章。

实战篇-OpenSSL之AES加密算法-CFB1模式

一、AES简介

密码学中的高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES），又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。

这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。

AES属于对称加密算法，加解密使用同一个秘钥。

对称加密算法，一般有至少4种模式，即ECB、CBC、CFB、OFB等。

具体的加密原理，就不进行介绍了，本文主要从使用角度，进行说明。

以下命令行和编程实现，均基于OpenSSL开源库。在命令行中，我们可以使用命令实现对文件加解密，以验证我们的编程实现，是否正确。

二、CFB1模式

加密反馈模式 Cipher Feedback Mode(CFB)。面向字符的应用程序的加密要使用流加密法，可以使用加密反馈模式。在此模式下，数据用更小的单元加密，如可以是8 位，这个长度小于定义的块长（通常是64 位）。

1、命令行操作

使用aes-128-cfb1对hello.txt加密，128位密钥为8cc72b05705d5c46f412af8cbed55aad，初始化向量为667b02a85c61c786def4521b060265e8，密文为hello.en。

openssl enc -e -aes-128-cfb1 -in hello.txt -out hello.en -K 8cc72b05705d5c46f412af8cbed55aad -iv 667b02a85c61c786def4521b060265e8

使用aes-128-cfb1对hello.en解密，密钥为8cc72b05705d5c46f412af8cbed55aad，初始化向量为667b02a85c61c786def4521b060265e8，解密后的文件为hello.de。

openssl enc -d -aes-128-cfb1 -in hello.en -out hello.de -K 8cc72b05705d5c46f412af8cbed55aad -iv 667b02a85c61c786def4521b060265e8

2、函数说明

AES CFB1加密/解密：

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);

参数名称	含义
in	输入数据，长度任意
out	输出数据，长度与输入数据相等
length	输入数据的位数，即输入数据长度*8
key	使用AES_set_encrypt_key生成的Key
ivec	可读写的一块内存。长度必须是16字节。
num	应总是为0，否则会触发断言
enc	AES_ENCRYPT 代表加密， AES_DECRYPT代表解密

AES_cfb1_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。

3、编程实现

（1）特别注意

CFB模式加密和解密均使用加密key，这一点比较反常，务必记住。
CFB模式不需要对输入数据进行填充。
AES_cfb1_encrypt函数length参数，为输入数据的位数，即输入数据长度*8，而不是字节数。

（2）实现CFB1模式加解密

下面，函数已经封装完毕，如下：

/** * @brief AES::cfb1_encrypt * CFB1模式加解密，支持对任意长度明文进行加解密。 * @param in 输入数据 * @param out 输出结果 * @param key 密钥，长度必须是16/24/32字节，否则加密失败 * @param ivec 初始向量，长度必须是16字节 * @param enc true-加密，false-解密 * @return 执行结果 */
bool AES::cfb1_encrypt(const QByteArray &in, QByteArray &out, const QByteArray &key, const QByteArray &ivec, bool enc)
{ 
   
    // 检查密钥合法性(只能是16、24、32字节)
    Q_ASSERT(key.size() == 16 || key.size() == 24 || key.size() == 32);
    Q_ASSERT(ivec.size() == 16); // 初始向量为16字节

    // 特别注意：CFB模式加密和解密均使用加密key。
    // 生成加密key
    AES_KEY aes_key;
    if (AES_set_encrypt_key((const unsigned char*)key.data(), key.size() * 8, &aes_key) != 0)
    { 
   
        return false;
    }

    // 执行CFB1模式加密或解密
    int num = 0;
    QByteArray ivecTemp = ivec; // ivec会被修改，故需要临时变量来暂存
    int encVal = enc ? AES_ENCRYPT : AES_DECRYPT;
    out.resize(in.size()); // 调整输出buf大小
    AES_cfb1_encrypt((const unsigned char*)in.data(),
                    (unsigned char*)out.data(),
                    in.size() * 8,
                    &aes_key,
                    (unsigned char*)ivecTemp.data(),
                    &num,
                    encVal);
    return true;
}

加密过程：

生成加密key
执行加密

解密过程：

生成加密key
执行解密

经测试，本函数支持对任意长度输入数据进行加解密。

（3）测试代码

void createTestData(QByteArray& data, int size)
{ 
   
    data.resize(size);
    for (int i = 0; i < size; i++)
    { 
   
        data[i] = i % 128;
    }
}

void testAES(const QByteArray& data)
{ 
   
    QByteArray plainText = data;
    QByteArray encryptText;
    QByteArray decryptText;

    QByteArray key = QByteArray::fromHex("8cc72b05705d5c46f412af8cbed55aad");
    QByteArray ivec = QByteArray::fromHex("667b02a85c61c786def4521b060265e8");

    // AES cfb1模式加密验证
    AES aes;
    aes.cfb1_encrypt(plainText, encryptText, key, ivec, true);    // 加密
    aes.cfb1_encrypt(encryptText, decryptText, key, ivec, false); // 解密
    qDebug() << "AES cfb1 encrypt verify" << ((decryptText == plainText) ? "succeeded" : "failed");
}

int main(int argc, char *argv[])
{ 
   
    QCoreApplication a(argc, argv);

    // 产生1MB+3B的测试数据，为了使该测试数据长度，不为8或16的整数倍
    QByteArray data;
    createTestData(data, 1*1024*1024+3);

    // 测试AES
    testAES(data);     // 测试，直接调用OpenSSL中AES算法函数

    return a.exec();
}

执行结果：