极简加解密库--使数据传输更加安全-电子发烧友网

概述

互联网时代，安全成为了一个沉重的话题。文件传输、电子邮件等的安全性尤为重要。我们为了保证安全性，必须对其内容加密，
加密的作用就是防止有用或私有化信息在传输链路上被拦截和窃取。提高数据传输的可靠性。
在嵌入式开发中，我们会涉及到数据的传输，文件的传输。很多人都没有考虑其数据的安全性问题，往往都是明文的方式传输，最多增加CRC进行数据的完整性校验。这明显没有考虑数据的安全性问题。
最近项目遇到安全性问题，所以也开始折磨一下加密相关知识，发现RT-THREAD有个比较好软件包--tinycrypt（一个简小并且可配置的加解密软件包，包含算法：aes，base64，md5，sha1，sha2）。其中：AES刚好符合我的项目需求。

AES加密算法

AES加密标准又称为高级加密标准Rijndael加密法，是美国国家标准技术研究所NIST旨在取代DES的21世纪的加密标准。AES的基本要求是，采用对称分组密码体制，密钥长度可以为128、192或256位，分组长度128位。AES算法是最为常见的额对称加密算法之一。

AES加密流程说明：

AES的加解密流程图如下：

加解密流程图部件说明：

明文P：没有经过加密的数据或文件。
密钥K：用来加密明文P的密钥，在对称加密算法中，加密与解密的密钥是相同的。密钥为接收方与发送方协商产生，但不可以直接在网络上传输，否则会导致密钥泄漏，通常是通过非对称加密算法加密密钥，然后再通过网络传输给对方，或者直接面对面商量密钥。密钥是绝对不可以泄漏的，否则会被攻击者还原密文，窃取机密数据。
AES加密函数：设AES加密函数为E，则 C = E（K + P），其中P为明文，K为密钥，C为密文。也就是说，把明文P和密钥K作为加密函数的参数输入，则加密函数E会输出密文C。
密文C：通过密钥对明文进行加密处理后的数据或文件。
AES解密函数：设AES解密函数为D，则 P = D（K + C），其中C为密文，K为密钥，P为明文。也就是说，把密文C和密钥K作为解密函数的参数输入，则解密函数会输出明文P。

AES加密方法：

AES为分组加密，分组加密也就是把明文分成一组一组的，每组的长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。

AES	密钥长度（32bit）	分组长度（32bit）	加密轮数
AES-128	4	4	10
AES-192	6	4	12
AES-256	8	4	14

在AES标准规范中，分组长度只能是128位，也就是说，每个分组为16个字节，每个字节8位，密钥的长度可以使用128位、192位或者258位。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，比如AES-128也就是密钥的长度为128位，加密轮数为10轮，AES-192为12轮，AES-256为14轮。以AES-128为例，加密中一轮的4个操作：

字节代换：AES的字符代换其实就是一个简单的查表操作，AES定义了一个S盒和一个逆S盒。
行位移：就是一个简单的左循环移位操作。
列混合：是通过矩阵相乘来实现的，经过移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘，得到混淆后的状态矩阵。
轮密钥加：是将128位轮密钥Ki同状态矩阵中的数据进行逐位异或操作。

加密：加密第1轮到第9轮的轮函数一样，最后一轮迭代不执行列混合，另外，在第一轮迭代之前，先将明文和原始密钥进行一次异或加密操作。
解密：解密过程仍为10轮，每一轮的操作是加密操作的逆操作。由于AES的4个轮操作都是可逆的，因此，解密操作的一轮就是顺序执行逆行移位、逆字节代换、轮密钥加和逆列混合。同加密操作类似，最后一轮不执行逆列混合，在第1轮解密之前，要执行1次密钥加操作。

tinycrypt的AES使用

tinycrypt这个软件包精简使用起来很方便，其包含了源码和测试用例（AES和MD5），tinycrypt软件包的目录结构如下：

.
├──include
│├──tiny_aes.h//aes头文件
│├──tiny_base64.h//base64头文件
│├──tinycrypt_config.h//tinycrypt配置头文件
│├──tinycrypt.h//tinycrypt头文件
│├──tiny_md5.h//md5头文件
│├──tiny_sha1.h//sha1头文件
│└──tiny_sha2.h//sha2头文件
├──LICENSE
├──README.md
├──samples
│├──aes_sample.c//aes测试用例头文件
│└──md5_sample.c//md5测试用例头文件
└──src
├──tiny_aes.c//aes源文件
├──tiny_base64.c//base64源文件
├──tiny_md5.c//md5头文件
├──tiny_sha1.c//sha1头文件
└──tiny_sha2.c//sha2头文件

在Ubuntu环境下，搭建tinycrypt的环境，测试加解密文件，目录结构如下：

.
├──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

在目录中增加makefile文件和main.c，其中makefile用于构建工程，main.c用于编写我们的测试代码，其中：
makefile文件内容：

VERSION=1.0.0#版本号

SOURCE=main.c#源文件
SOURCE+=$(wildcard./tinycrypt/src/*.c)#通过wildcard函数获取tinycrypt源文件
OBJECT=$(patsubst%.c,%.o,$(SOURCE))#通过patsubst函数替换源文件为目标文件

INCLUDE=-I./tinycrypt/include#包含头文件路径

TARGET=tinycrypt#目标文件名字
CC=gcc#工具链
CFLAGS=-Wall-g#编译选项

OUTPUT=output#输出目录

$(TARGET):$(OBJECT)#构建执行命令
@mkdir-p$(OUTPUT)#创建输出目录
$(CC)$^$(CFLAGS)-o$(OUTPUT)/$(TARGET)_$(VERSION)#编译

%.o:%.c#将源文件编译成目标文件
$(CC)$(INCLUDE)$(CFLAGS)-c$< -o $@                  

.PHONY:clean                                                # 执行make clean之后，清除过程文件
clean:
 @rm -rf $(OBJECT) $(OUTPUT)

main.c文件内容，测试历程说明：将一个文件（index.js）通过AES加密，然后生成加密文件（encrypt_index.js）,再将加密文件（encrypt_index.js）通过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//加密单包长度

#defineENCRYPT_AES_IV_LEN16//AES向量长度
#defineENCRYPT_AES_KEY_LEN256//AES密钥长度
#defineENCRYPT_AES_IV"0123456789ABCDEF"//AES向量
#defineENCRYPT_AES_KEY"0123456789ABCDEF0123456789ABCDEF"//AES密钥
//AES参数结构体定义
typedefstruct
{
uint8_taesIv[ENCRYPT_AES_IV_LEN];
uint8_taesKey[ENCRYPT_AES_KEY_LEN];
tiny_aes_contextaes_ctx;
}EncryptInfo;

staticEncryptInfog_info={0};
//aes参数初始化
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加密函数的封装
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解密函数的封装
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，将明文文件（index.js）通过AES加密为加密文件（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);//设置密钥
src_fd=open(ENCRYPT_TEST_FILE,O_RDONLY,0777);//打开明文文件
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);//打开加密文件
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);//获取明文文件的大小
srv_file_offset=0;
lseek(src_fd,0,SEEK_SET);
printf("%d-INFO:sourcefilesize:%drn",__LINE__,raw_size);

while(srv_file_offset< raw_size) {
            memset(src_buff,0,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);
memset(encrypt_buff,0,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);
read(src_fd,src_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//读取明文文件内容
aes_encrypt(encrypt_buff,src_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//明文文件内容加密
write(encrypt_fd,encrypt_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//将加密内容写入加密文件中
srv_file_offset+=ENCRYPT_SINGLE_SIZE;
}
close(src_fd);
src_fd=-1;
close(encrypt_fd);
encrypt_fd=-1;
}

//解密文件，将加密文件（encrypt_index.js）通过AES解密为解密文件（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);//设置密钥
src_fd=open(ENCRYPT_TEST_ENCRYPT_FILE,O_RDONLY,0777);//打开密文文件
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);//打开解密文件
if(decrypt_fd==-1){
printf("%d-ERR:openfile(%s)failedrn",__LINE__,ENCRYPT_TEST_DECRYPT_FILE);
return-1;
}

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

while(srv_file_offset< src_file_size) {
            memset(src_buff,0,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);
memset(decrypt_buff,0,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);
if((srv_file_offset+ENCRYPT_SINGLE_SIZE)< src_file_size)
            {
                read(src_fd, src_buff, ENCRYPT_SINGLE_SIZE);                                    //读取密文文件内容
aes_decrypt(decrypt_buff,src_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//密文文件解密
write(decrypt_fd,decrypt_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//将解密内容写入解密文件中
srv_file_offset+=ENCRYPT_SINGLE_SIZE;
}
else
{
read(src_fd,src_buff,ENCRYPT_SINGLE_SIZE);//读取最后一包密文文件内容
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));//将最后一包解密内容写入解密文件中
break;
}
}
close(src_fd);
src_fd=-1;
close(decrypt_fd);
decrypt_fd=-1;
}

return0;
}

验证时发现一个问题，加密内容的长度需要16字节的整数倍，所以加密完的文件大小也为16字节的整数倍。值得注意的是，解密的最后一包要根据明文文件的大小算出来的，然后写进解密文件中，因为加密文件是16字节对齐的，所以要去除16字节对齐。
编译及运行：

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$