1 密码学综述

本文主要总结常见的密码算法与协议，并不详细介绍原理

• 密码算法
  • 对称密码算法
  • 非对称密码算法
  • 哈希算法
  • 完整性校验算法
• 其他算法
  • 随机数生成算法
  • 密钥派生算法

2 密码算法

2.1 对称加密算法

对称加密算法的基本原理是，输入明文、密钥，对明文进行分组，对每组明文进行多轮线性、非线性运算，比如异或、代换等，得到密文。
常见的对称加密算法如下：

在实现加密的过程中，还有几个基础知识：

• 密钥扩展：加密时，会迭代很多轮，每一轮都用1个轮密钥。1个原始密钥，扩展为多个的轮密钥。
• 加密模式：一个原始明文，分为多个明文组，组与组之间的组合方式如下：

  模式	中文	描述
  ECB	电子密码本	不同的明文块，用相同的密钥
  CBC	密码分组链接	上1密文块，与下一明文块异或
  CTR	计数器模式	密钥加密计数器生成密钥流，密文块与密钥流异或
  CFB	密码反馈模式	-
  OFB	输出反馈模式	与CFB类似

常见算法的具体实现原理如下：

• 一、DES

  • 密钥扩展：16轮 * 48 bit密钥 （每轮生成1个轮密钥）
    1. 转换：64 -> 56 bit，忽略校验位
    2. 移位
    3. 合并：28 bit 与 28 bit合并
    4. 代换：
  • 加密：16轮
    1. 置换：前面的bit后后面的bit置换
    2. 异或
    3. 代换

• 二、AES

  • 密钥扩展：128 / 192 / 256 bit 分别对应 10 / 12 / 14 轮 * 32 bit 密钥（每轮生成1个轮密钥）
    1. 移位：左移
    2. 代换：S盒代换
    3. 异或：与固定基数异或
  • 加密：10 / 12 / 14 轮 （与密钥长度有关） 构造1个矩阵：4 x 4 字节 = 4 * 4 * 8 bit = 128 bit
    1. 代换：字节代换
    2. 移位：行移位
    3. 混合：列混合 （各分组拼成矩阵，矩阵相乘）
    4. 异或：轮密钥加
  • 解密：轮密钥加、逆列混合、逆行移位、逆字节代换

• 三、SM4

  • 密钥扩展：32轮 * 32 bit 密钥 （每轮生成1个轮密钥）
    1. 分组：分为4组 * 32bit
    2. 异或：与固定基数异或
    3. 代换：S盒代换
    4. 移位：移位并与其他分组异或
  • 明文：128 bit，分为4组 * 32bit
  • 加密：32轮 -> 分为4组 * 32bit
    1. 异或：轮密钥异或
    2. 代换：S盒代换
    3. 移位：行移位并与自己异或
  • 解密：

2.2 非对称密码算法

• 原理：基于数学问题的难解性，给定输入，计算输出容易；给定输出，计算输入困难。
• 4个常见算法

• 加密算法：
• RSA
• ElGamal
• ECC
• SM2

2.3 哈希算法

2.4 完整性校验算法

2.5 随机数生成算法

2.6 密钥派生算法

3 密码协议

5 软件实现

5.1 openssl实现加密

一、对称加密

准备编译环境

1. 准备开发环境：centos 7, x86

2. 下载openssl源码
   centos已安装openssl，但可能是1.0或1.1版本，我想使用3.0版本，所以选择源码编译安装openssl。另外，如果更改系统原openssl版本，可能导致系统崩溃

   mkdir crypto
   cd crypto
   
   wget https://www.openssl.org/source/openssl-3.0.5.tar.gz
   

3. 安装perl
   配置openssl的编译参数时，即下述步骤4中的./config ..命令中，需要依赖perl。（我没用过perl，直接跟着教程安装的）

   yum install -y perl-CPAN
   # 继续安全必须模块
   perl -MCPAN -e shell
     # 中途有个地方，输入：local::lib
   # 当出现 cpan[1]> ，时，输入一下命令
   install IPC::Cmd
   # 退出
   exit
   

4. 编译openssl源码

   taz -zxvf openssl-3.0.5.tar.gz
   mkdir openssl # 存放编译出的libssl.so
   
   cd openssl-3.0.5
   # 安装目录设置为当前目录的 output文件夹
   ./config --prefix=`pwd`/output --openssldir=`pwd`/output shared
   make -sj
   make install -sj
   
   mv ./output ../libssl
   

5. 创建源码目录

   cd ..
   
   mkdir code
   # 确保目录结构为：
   |-- crypto
     |-- libssl # 存放openssl的lib与include文件
     |-- openssl-3.0.5 # openssl源码，用不上了
     |-- code
   
   cd code
   touch enc.c
   

   在enc.c中，开始写加解密代码demo

加解密demo

1. 加解密源码：

   #include <stdio.h>
   #include <string.h>
   /* openssl头文件 */
   #include <openssl/evp.h>
   #include <openssl/rand.h>
   #include <openssl/err.h>
   
   typedef unsigned char uchar;
   #define ASSERT(condition) if (!(condition)) {printf("error: code line: %d\n", __LINE__); exit(0);}
   
   /* 加密函数 （为考虑博客排版紧凑，不考虑代码风格） */
   void encrypt(uchar *plain, int plainlen, uchar *key, uchar *iv, uchar *cipher, int *cipherlen)
   {
       int ret;
       /* 1 初始化内存上下文 */
       EVP_CIPHER_CTX *ctx = EVP_CIPHER_CTX_new();
       ASSERT(ctx != NULL);
       /* 2 选择加密算法，建议当函数入参传进来 */
       const EVP_CIPHER *algorithm = EVP_aes_256_cbc();
       /* 3 扩展密钥 */
       ret = EVP_EncryptInit_ex(ctx, algorithm, NULL, key, iv);
       ASSERT(ret == 1);
       /* 4 加密明文 */
       ret = EVP_EncryptUpdate(ctx, cipher, cipherlen, plain, plainlen);
       ASSERT(ret == 1);
       /* 5 填充密文，让密文长度变成分组长度的整数倍 */
       int padlen;
       ret = EVP_EncryptFinal_ex(ctx, cipher + *cipherlen, &padlen);
       ASSERT(ret == 1);
       *cipherlen += padlen; /* 输出长度：密文实际长度 + 填充长度 */
       EVP_CIPHER_CTX_free(ctx);
   }
   
   /* 解密函数 */
   void decrypt(uchar *cipher, int cipherlen, uchar *key, uchar *iv, uchar *plain, int *plainlen)
   {
       int ret;
       /* 1 初始化内存上下文 */
       EVP_CIPHER_CTX *ctx = EVP_CIPHER_CTX_new();
       ASSERT(ctx != NULL);
       /* 2 选择加密算法 */
       const EVP_CIPHER *algorithm = EVP_aes_256_cbc();
       /* 3 扩展密钥 */
       ret = EVP_DecryptInit_ex(ctx, algorithm, NULL, key, iv);
       ASSERT(ret == 1);
       /* 4 解密密文 */
       ret = EVP_DecryptUpdate(ctx, plain, plainlen, cipher, cipherlen);
       ASSERT(ret == 1);
       /* 5 计算填充长度并清理填充 */
       int padlen;
       ret = EVP_DecryptFinal_ex(ctx, plain + *plainlen, &padlen);
       ASSERT(ret == 1);
       *plainlen += padlen; /* 输出长度：解密长度 - 填充长度，此处padlen实际是个负数  */
       EVP_CIPHER_CTX_free(ctx);
   }
   
   void print_uchar(uchar *data, int len)
   {
       printf("len:%-6d data:");
       int i;
       for (i = 0; i < len; i++) {
           printf("%x", data[i]);
       }
       printf("\n");
   }
   
   int main()
   {
       uchar plain[37] = {0}; /* 随便设置的长度 */
       uchar key[32] = {0};
       uchar iv[16] = {0};
       uchar cipher[64] = {0};
       int cipherlen = 0;
       int ret;
   
       /* 随机生成 明文、密钥、IV */
       ret = RAND_bytes(plain, 37);
       ASSERT(ret == 1);
       ret = RAND_bytes(key, 32);
       ASSERT(ret == 1);
       ret = RAND_bytes(iv, 16);
       ASSERT(ret == 1);
   
       printf("-- plain, key, iv:\n");
       print_uchar(plain, 37);
       print_uchar(key, 32);
       print_uchar(iv, 16);
   
       /* 加密 */
       encrypt(plain, 37, key, iv, cipher, &cipherlen);
       printf("\n-- output cipher:\n");
       print_uchar(cipher, cipherlen);
   
       /* 解密 */
       uchar _plain[64] = {0};
       int _plainlen = 0;
       decrypt(cipher, cipherlen, key, iv, _plain, &_plainlen);
       printf("\n-- output plain:\n");
       print_uchar(_plain, _plainlen);
   
       return 0;
   }
   

2. 编译代码

   gcc enc.c -I../libssl/include -L../libssl/lib64 -lssl -lcrypto -o enc
   

3. 运行代码

   export LD_LIBRARY_PATH=`pwd`/../libssl/lib64:$LD_LIBRARY_PATH
   
   ./enc
   

   以下是示例输出：

   -- plain, key, iv:
   len:37     data:1b172e617193d5bef358a28504f86b2ce9f820a8599982d6e7edda2b3c69b98b2e1b9d9
   len:32     data:7bf1cc71b9262c0c0621956e9d4528841da3b47a48f0a0a8d63b1997586d28
   len:16     data:9cc1f5648c6988d33e7b24f46223b648
   
   -- output cipher:
   len:48     data:1e6fde979bf3b76e889f588a3943a9bf74eaed127e0a0ba1f27f97558b0c93f9f5d2d89202d59444f6ce6bc7d596114
   
   -- output plain:
   len:37     data:1b172e617193d5bef358a28504f86b2ce9f820a8599982d6e7edda2b3c69b98b2e1b9d9