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11. 加解密实现

程序喵

2023-12-05 20:30

阅读2093

程序喵

2023-12-05 20:30

阅读 2093

大家好，我是程序喵。

前面我介绍过数据库的作用，会在上报前先把数据按一定格式存储到数据库中，用于持久化，防止信息丢失，而且也提到过，存储内容一定要是加密过的数据，防止数据泄漏，如果数据随随便便就以明文形式泄漏到外部，这可是很大的安全事故。

所以，本节我就会主要介绍如何实现加解密模块。

加密一般分为对称加密和非对称加密，对称加密大体指的是双方使用同样的秘钥，A使用一个秘钥加密后的数据，B使用同样的秘钥可以直接解密。非对称加密一般要分为公钥和私钥，公钥和私钥是一对，A使用公钥加密后的数据，B拿相同的公钥无法解密，拿其它的私钥也无法加密，一定要拿和此公钥同时相伴而成的私钥才可以成功解密。

常用的对称加密算法有AES、RC4等，常用的非对称加密算法有RSA、ECC等。给大家出个思考题，https使用的是对称加密还是非对称加密？

在本项目中，我们会使用AES这种经典的对称加密算法，会引入mbedtls三方库来实现加解密功能，关于如何引入mbedtls，可以查看第4节。

下面就直接介绍如何实现项目中的加解密算法模块。

std::string AESCrypt::GetKey(const std::string& salt,

const std::string password) {

int32_t keylen = 32;

uint32_t iterations = 1000;

unsigned char key[32] = {0};

mbedtls_md_context_t md_ctx;

mbedtls_md_init(&md_ctx);

const mbedtls_md_info_t* md_info =

mbedtls_md_info_from_type(MBEDTLS_MD_SHA256);

mbedtls_md_setup(&md_ctx, md_info, 1);

mbedtls_md_starts(&md_ctx);

int ret = mbedtls_pkcs5_pbkdf2_hmac(

&md_ctx, reinterpret_cast<const unsigned char*>(password.data()),

password.size(), reinterpret_cast<const unsigned char*>(salt.data()),

salt.size(), iterations, keylen, key);

mbedtls_md_free(&md_ctx);

if (ret != 0) {

return "";

}

return std::string((char*)key, keylen);

}

首先，我们需要了解一下AES加密算法是如何工作的，前面说过AES（Advanced Encryption Standard）是一种对称加密算法，意味着加密和解密使用相同的密钥。在这段代码中，我们就会生成一个用于AES加密的密钥。

通过将salt与用户提供的password相结合，可以生成一个更强大的密钥。使用随机的salt可以防止恶意攻击者使用预先计算好的表来破解密码。

password是用户提供的密码，它结合salt，然后使用PBKDF2算法（Password-Based Key Derivation Function 2）和HMAC-SHA256哈希算法来生成密钥。

PBKDF2算法是一种密码推导函数，它使用 password 和salt作为输入，并通过多次迭代的哈希运算生成一个密钥。在这段代码中，我们使用了1000次迭代和SHA256哈希算法来生成一个32字节（256位）的密钥。

通过将password和salt传递给mbedtls_pkcs5_pbkdf2_hmac函数，我们可以生成一个加密安全的密钥。最后，我们将生成的密钥转换为std::string类型并返回。

class AESImpl {

public:

explicit AESImpl(const std::string& key) { Init(key.data(), key.size()); }

~AESImpl() { UnInit(); }

AESImpl(const AESImpl& other) = delete;

AESImpl& operator=(const AESImpl& other) = delete;

void Init(const char* key, size_t key_size);

void UnInit();

std::string Encrypt(const void* input, size_t input_size);

std::string Decrypt(const void* input, size_t input_size);

private:

mbedtls_cipher_context_t encrypt_ctx_;

mbedtls_cipher_context_t decrypt_ctx_;

uint32_t encrypt_block_size_ = 0;

uint32_t decrypt_block_size_ = 0;

unsigned char iv_[16] = {0};

};

void AESImpl::Init(const char* key, size_t key_size) {

mbedtls_cipher_init(&encrypt_ctx_);

mbedtls_cipher_setup(

&encrypt_ctx_, mbedtls_cipher_info_from_type(MBEDTLS_CIPHER_AES_256_CBC));

mbedtls_cipher_set_padding_mode(&encrypt_ctx_, MBEDTLS_PADDING_PKCS7);

mbedtls_cipher_setkey(&encrypt_ctx_,

reinterpret_cast<const unsigned char*>(key),

key_size * 8, MBEDTLS_ENCRYPT);

encrypt_block_size_ = mbedtls_cipher_get_block_size(&encrypt_ctx_);

mbedtls_cipher_init(&decrypt_ctx_);

mbedtls_cipher_setup(

&decrypt_ctx_, mbedtls_cipher_info_from_type(MBEDTLS_CIPHER_AES_256_CBC));

mbedtls_cipher_set_padding_mode(&decrypt_ctx_, MBEDTLS_PADDING_PKCS7);

mbedtls_cipher_setkey(&decrypt_ctx_,

reinterpret_cast<const unsigned char*>(key),

key_size * 8, MBEDTLS_DECRYPT);

decrypt_block_size_ = mbedtls_cipher_get_block_size(&decrypt_ctx_);

}

void AESImpl::UnInit() {

mbedtls_cipher_free(&encrypt_ctx_);

mbedtls_cipher_free(&decrypt_ctx_);

}

std::string AESImpl::Encrypt(const void* input, size_t input_size) {

mbedtls_cipher_set_iv(&encrypt_ctx_, iv_, sizeof(iv_));

mbedtls_cipher_reset(&encrypt_ctx_);

std::string output(input_size + encrypt_block_size_, 0);

size_t olen = 0;

int ret = mbedtls_cipher_update(

&encrypt_ctx_, reinterpret_cast<const unsigned char*>(input), input_size,

reinterpret_cast<unsigned char*>(output.data()), &olen);

if (ret != 0) {

return "";

}

size_t olen2 = 0;

ret = mbedtls_cipher_finish(

&encrypt_ctx_, reinterpret_cast<unsigned char*>(output.data()) + olen,

&olen2);

if (ret != 0) {

return "";

}

output.resize(olen + olen2);

return output;

}

这段代码实现了一个AES加密算法模块，主要包括以下几个函数及其作用：

AESImpl::Init(const char key, size_t key_size): 该函数用于初始化加密算法模块。它接受一个密钥 key 和密钥的长度 key_size 作为参数，并进行以下操作：
调用 mbedtls_cipher_init 初始化加密上下文 encrypt_ctx_ 和解密上下文 decrypt_ctx_。
调用 mbedtls_cipher_setup 配置加密上下文 encrypt_ctx_ 和解密上下文 decrypt_ctx_，指定加密算法类型为 AES-256-CBC。
调用 mbedtls_cipher_set_padding_mode 设置加密上下文 encrypt_ctx_ 和解密上下文 decrypt_ctx_ 的填充模式为 PKCS7。
调用 mbedtls_cipher_setkey 设置加密上下文 encrypt_ctx_ 和解密上下文 decrypt_ctx_ 的密钥，将传入的 key 转换为 unsigned char* 类型，并指定密钥的位数为 key_size * 8。
获取加密上下文 encrypt_ctx_ 的块大小，并将其保存在变量 encrypt_block_size_ 中。
获取解密上下文 decrypt_ctx_ 的块大小，并将其保存在变量 decrypt_block_size_ 中。
AESImpl::UnInit(): 该函数用于释放加密算法模块的资源。它进行以下操作：
调用 mbedtls_cipher_free 释放加密上下文 encrypt_ctx_ 和解密上下文 decrypt_ctx_。
AESImpl::Encrypt(const void input, size_t input_size): 该函数用于对输入数据进行加密。它接受一个指向输入数据的指针 input 和输入数据的大小 input_size，并返回加密后的数据。在函数内部，它进行以下操作：
调用 mbedtls_cipher_set_iv 设置加密上下文 encrypt_ctx_ 的初始化向量（IV）为全零的 16 字节。
调用 mbedtls_cipher_reset 重置加密上下文 encrypt_ctx_ 的状态。
创建一个输出字符串 output，大小为输入数据的大小加上加密块的大小。
调用 mbedtls_cipher_update 对输入数据进行加密处理，并将加密结果存储在 output 中。
调用 mbedtls_cipher_finish 完成加密操作，并将最后一部分加密结果追加到 output 中。
调整 output 的大小为实际加密结果的大小，并返回加密结果。

通过使用这些函数，可以实现对数据的加密操作。

std::string AESImpl::Decrypt(const void* input, size_t input_size) {

mbedtls_cipher_set_iv(&decrypt_ctx_, iv_, sizeof(iv_));

mbedtls_cipher_reset(&decrypt_ctx_);

std::string output(input_size + decrypt_block_size_, 0);

size_t olen = 0;

int ret = mbedtls_cipher_update(

&decrypt_ctx_, reinterpret_cast<const unsigned char*>(input), input_size,

reinterpret_cast<unsigned char*>(output.data()), &olen);

if (ret != 0) {

return "";

}

size_t olen2 = 0;

ret = mbedtls_cipher_finish(

&decrypt_ctx_, reinterpret_cast<unsigned char*>(output.data()) + olen,

&olen2);

if (ret != 0) {

return "";

}

output.resize(olen + olen2);

return output;

}

再介绍这段解密的代码

这段代码实现了一个AES解密算法模块，主要包括：

AESImpl::Decrypt(const void input, size_t input_size)*: 该函数用于对输入数据进行解密。它接受一个指向输入数据的指针 input 和输入数据的大小 input_size，并返回解密后的数据。在函数内部，它进行以下操作：
调用 mbedtls_cipher_set_iv 设定解密上下文 decrypt_ctx_ 的初始向量为 iv_。
调用 mbedtls_cipher_reset 重置解密上下文 decrypt_ctx_。
创建一个初始大小为 input_size + decrypt_block_size_ 的输出字符串 output。
调用 mbedtls_cipher_update 对输入数据进行解密操作，并将解密后的数据存储到 output 中。
检查解密操作是否成功，如果失败则返回空字符串。
调用 mbedtls_cipher_finish 完成解密操作，并将结果追加到 output 中。
重新调整 output 的大小，将其截断为正确的长度。
返回解密后的数据。

可以看到，前面的类声明的是AESCryptImpl，带了个Impl后缀，这里我还是和上一节一样，使用了pimpl模式，对外类会只会暴露以下方法：

class Crypt {

public:

virtual ~Crypt() = default;

virtual std::string Encrypt(const std::string& input) = 0;

virtual std::string Decrypt(const std::string& input) = 0;

virtual std::string Encrypt(const void* input, size_t input_size) = 0;

virtual std::string Decrypt(const void* input, size_t input_size) = 0;

};

然后我们再写个程序测试一下本节功能：

TEST(CryptTest, BasicTest) {

std::string key = buried::AESCrypt::GetKey("salt", "password");

EXPECT_TRUE(!key.empty());

buried::Crypt* crypt = new buried::AESCrypt(key);

std::string input = "hello world";

std::string encrypted = crypt->Encrypt(input);

EXPECT_TRUE(!encrypted.empty());

std::string decrypted = crypt->Decrypt(encrypted);

EXPECT_TRUE(!decrypted.empty());

EXPECT_EQ(input, decrypted);

delete crypt;

}

结果就不贴了，肯定是正确的。

到这里，本节已经介绍完毕，我们下期见。

本节详细代码见：

问答助学