C++使用OpenSSL实现AES-256-CBC加密解密实例

OpenSSL说明

OpenSSL的加密算法库enc提供了丰富的对称加密算法，下面说明一下如何通过命令行实现加密解密：

$ openssl enc -aes-256-cbc -e -K 3132333435363738393031323334353631323334353637383930313233343536 -iv 30303030303030303030303030303030 -in in.txt -nopad -nosalt -base64 -A
ayDcrt+pXn5ruS9G6WEsYMXHpvVy5KDg5Mkjjtabm7cT5wCqtrwm3qh+YoVnHSLbspACEephhkvlmrtgcaFSag==

这里设定的key是12345678901234561234567890123456，iv是0000000000000000。这里要注意的是，-K、-iv选项后面内容需要以16进制的方式输入，否则输出的结果会有问题。-e选项表示编码，-base64选项表明需要以base64转码后的字符串进行显示，-A选项表明base64结果以一行的方式输出，-in选项表明输入内容以文件方式传入，-nopad表明不进行填充补齐(OpenSSL默认的padding模式为PKCS7Padding)。若需要解码，则只需将-e改为-d，并更改输入文件内容即可。
特别说明：网上搜索的AES在线加密解密工具里面，有一些网站的AES-256-CBC结果是不正确，AES算法CBC模式，不管是128、192还是256位，其中iv向量的长度都是16字节(AES_BLOCK_SIZE)。

AES 128/192/256设置方式

在OpenSSL的中，可以通过AES_set_encrypt_key函数进行设置，对应的设置代码如下：

	AES_KEY aes_key;
	if (AES_set_encrypt_key((const unsigned char*)password.c_str(), 256 /* 128 192 */, &aes_key) < 0)
	{
     
		assert(false);
	}

实例

#include "pch.h"
#include 
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#if _DEBUG
#pragma comment(lib,"libcrypto64MDd.lib")
#pragma comment(lib,"libssl64MDd.lib")
#else
#pragma comment(lib,"libcrypto64MT.lib")
#pragma comment(lib,"libssl64MT.lib")
#endif

extern "C" {
     
#include "openssl/applink.c"
};

using namespace std;

static const std::string base64_chars =
"ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"
"abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"
"0123456789+/";

static inline bool is_base64(unsigned char c) {
     
	return (isalnum(c) || (c == '+') || (c == '/'));
}

// base64 编码
std::string base64_encode(char const* bytes_to_encode, int in_len) {
     
	std::string ret;
	int i = 0;
	int j = 0;
	unsigned char char_array_3[3];
	unsigned char char_array_4[4];

	while (in_len--) {
     
		char_array_3[i++] = *(bytes_to_encode++);
		if (i == 3) {
     
			char_array_4[0] = (char_array_3[0] & 0xfc) >> 2;
			char_array_4[1] = ((char_array_3[0] & 0x03) << 4) + ((char_array_3[1] & 0xf0) >> 4);
			char_array_4[2] = ((char_array_3[1] & 0x0f) << 2) + ((char_array_3[2] & 0xc0) >> 6);
			char_array_4[3] = char_array_3[2] & 0x3f;

			for (i = 0; (i < 4); i++)
				ret += base64_chars[char_array_4[i]];
			i = 0;
		}
	}

	if (i)
	{
     
		for (j = i; j < 3; j++)
			char_array_3[j] = '\0';

		char_array_4[0] = (char_array_3[0] & 0xfc) >> 2;
		char_array_4[1] = ((char_array_3[0] & 0x03) << 4) + ((char_array_3[1] & 0xf0) >> 4);
		char_array_4[2] = ((char_array_3[1] & 0x0f) << 2) + ((char_array_3[2] & 0xc0) >> 6);
		char_array_4[3] = char_array_3[2] & 0x3f;

		for (j = 0; (j < i + 1); j++)
			ret += base64_chars[char_array_4[j]];

		while ((i++ < 3))
			ret += '=';

	}

	return ret;

}

// base64 解码
std::string base64_decode(std::string & encoded_string) {
     
	int in_len = encoded_string.size();
	int i = 0;
	int j = 0;
	int in_ = 0;
	unsigned char char_array_4[4], char_array_3[3];
	std::string ret;

	while (in_len-- && (encoded_string[in_] != '=') && is_base64(encoded_string[in_])) {
     
		char_array_4[i++] = encoded_string[in_]; in_++;
		if (i == 4) {
     
			for (i = 0; i < 4; i++)
				char_array_4[i] = base64_chars.find(char_array_4[i]);

			char_array_3[0] = (char_array_4[0] << 2) + ((char_array_4[1] & 0x30) >> 4);
			char_array_3[1] = ((char_array_4[1] & 0xf) << 4) + ((char_array_4[2] & 0x3c) >> 2);
			char_array_3[2] = ((char_array_4[2] & 0x3) << 6) + char_array_4[3];

			for (i = 0; (i < 3); i++)
				ret += char_array_3[i];
			i = 0;
		}
	}

	if (i) {
     
		for (j = i; j < 4; j++)
			char_array_4[j] = 0;

		for (j = 0; j < 4; j++)
			char_array_4[j] = base64_chars.find(char_array_4[j]);

		char_array_3[0] = (char_array_4[0] << 2) + ((char_array_4[1] & 0x30) >> 4);
		char_array_3[1] = ((char_array_4[1] & 0xf) << 4) + ((char_array_4[2] & 0x3c) >> 2);
		char_array_3[2] = ((char_array_4[2] & 0x3) << 6) + char_array_4[3];

		for (j = 0; (j < i - 1); j++) ret += char_array_3[j];
	}

	return ret;
}

std::string aes_256_cbc_encode(const std::string& password, const std::string& data)
{
     
	// 这里默认将iv全置为字符0
	unsigned char iv[AES_BLOCK_SIZE] = {
      '0','0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0' };

	AES_KEY aes_key;
	if (AES_set_encrypt_key((const unsigned char*)password.c_str(), password.length() * 8, &aes_key) < 0)
	{
     
		//assert(false);
		return "";
	}
	std::string strRet;
	std::string data_bak = data;
	unsigned int data_length = data_bak.length();

	// ZeroPadding
	int padding = 0;
	if (data_bak.length() % (AES_BLOCK_SIZE) > 0)
	{
     
		padding = AES_BLOCK_SIZE - data_bak.length() % (AES_BLOCK_SIZE);
	}
	// 在一些软件实现中，即使是16的倍数也进行了16长度的补齐
	/*else
	{
		padding = AES_BLOCK_SIZE;
	}*/
	
	data_length += padding;
	while (padding > 0)
	{
     
		data_bak += '\0';
		padding--;
	}

	for (unsigned int i = 0; i < data_length / (AES_BLOCK_SIZE); i++)
	{
     
		std::string str16 = data_bak.substr(i*AES_BLOCK_SIZE, AES_BLOCK_SIZE);
		unsigned char out[AES_BLOCK_SIZE];
		::memset(out, 0, AES_BLOCK_SIZE);
		AES_cbc_encrypt((const unsigned char*)str16.c_str(), out, AES_BLOCK_SIZE, &aes_key, iv, AES_ENCRYPT);
		strRet += std::string((const char*)out, AES_BLOCK_SIZE);
	}
	return strRet;
}

std::string aes_256_cbc_decode(const std::string& password, const std::string& strData)
{
     
	// 这里默认将iv全置为字符0
	unsigned char iv[AES_BLOCK_SIZE] = {
      '0','0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0' };

	AES_KEY aes_key;
	if (AES_set_decrypt_key((const unsigned char*)password.c_str(), password.length() * 8, &aes_key) < 0)
	{
     
		//assert(false);
		return "";
	}
	std::string strRet;
	for (unsigned int i = 0; i < strData.length() / AES_BLOCK_SIZE; i++)
	{
     
		std::string str16 = strData.substr(i*AES_BLOCK_SIZE, AES_BLOCK_SIZE);
		unsigned char out[AES_BLOCK_SIZE];
		::memset(out, 0, AES_BLOCK_SIZE);
		AES_cbc_encrypt((const unsigned char*)str16.c_str(), out, AES_BLOCK_SIZE, &aes_key, iv, AES_DECRYPT);
		strRet += std::string((const char*)out, AES_BLOCK_SIZE);
	}
	return strRet;
}

int main()
{
     
	// 原始字符串
	string str = "test342432535534654365476456456436545645000000000000000000000001";

	cout << "str(origin): " << str.c_str() << endl;

	// AES key
	string key = "12345678901234561234567890123456";

	string str_encode = aes_256_cbc_encode(key, str);
	string str_encode_base64 = base64_encode(str_encode.c_str(), str_encode.length());
	// 加密后的结果，以base64编码输出
	cout << "str_encode_base64: " << str_encode_base64.c_str() << endl;

	string str_decode_base64 = base64_decode(str_encode_base64);
	string str_decode = aes_256_cbc_decode(key, str_decode_base64);

	//解密后的结果
	cout << "str_decode: " << str_decode.c_str() << endl;

	return 0;
}

关于Padding额外说明

如果是PKCS7Padding，假设数据长度需要填充n(n>0)个字节才对齐(16的倍数)，那么填充n个字节，每个字节都是n。如下：

... | DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD 04 04 04 04 |

需要填充4个字节才对齐为16的倍数，所以在后面填充四个值为04的字节。
如果数据本身就已经对齐为16的倍数了，则填充一块长度为块大小(16个)的数据，每个字节都是块大小(值为16)。如下：

... | DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD | 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16

之所以这么设计，是因为PKCS7填充后的数据，最后一个字节表示填充的字节数。如果已经对齐，不额外填充一个块大小，那么最后一个字节是数据内容，会导致接收方无法正确判断填充的字节数(对方会认为填充了0xDD个字节)。
如果是ZeroPadding，数据长度不对齐时使用0填充，否则不填充。如上述实例代码注释的，部分实现上会将已对齐的数据，再填充一个块大小。这里其实不填充也可以，因为ZeroPadding通常适用于以\0结尾的二进制字符串。同时这种填充方式无法区分纯文本数据字节和填充字节，如下例所示：

... | DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD 00 00 //原始数据
... | DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD 00 00 00 00 //填充后数据

上例中，如果原始数据结尾本身包含’\0’，那么接收方解码后得到的数据结尾会丢弃掉所有’\0’，此时接收方得到的结果会与发送方的有所不同。
关于所有Padding方式的详细说明，可以参考维基百科。