Crypto++入门学习笔记（DES、AES、RSA、SHA-256）

http://www.cppblog.com/ArthasLee/archive/2010/12/01/135186.html

背景（只是个人感想，技术上不对后面的内容构成知识性障碍，可以skip）：

最近，基于某些原因和需要，笔者需要去了解一下Crypto++库，然后对一些数据进行一些加密解密的操作。

笔者之前没接触过任何加密解密方面的知识（当然，把每个字符的ASCII值加1之流对明文进行加密的“趣事”还是干过的，当时还很乐在其中。），甚至一开始连Crypto++的名字都没有听过，被BS了之后，就开始了Crypto++的入门探索过程。

最初，大概知道了要了解两大类算法中的几个算法——对称加密算法：DES、AES（后来因为人品好的缘故也了解了下非对称加密算法RSA，后文会详述何谓“人品好”）；散列算法（需要通过Hash运算）：SHA-256。

起初，笔者以为这样的知名算法在网上应该有很多现成的例子。笔者比较懒，对于自己不熟悉的东西，总希望找捷径，直接找别人现（在已经写）成可（编译运）行的代码然后施展ctrl + C，ctrl + V算法（咳，什么算法，是大法！！！）。

However，发觉网上的例子不是稀缺，就是只有代码没有解释。笔者觉得很难忍受这样的“莫名其妙”（奇怪的是笔者容忍了windows了，尽管它不开源），遂决定从零开始……

 

 

 

……写在代码前……

      如果之前像笔者一样没相关经验——完全没接触过加密解密——，请务必阅读下文。

 

一些前期工作——编译cryptlib并使其可用：

      本文不涉及这部分内容，因为已经有相对完善的资料：         http://www.cnblogs.com/cxun/archive/2008/07/30/743541.html

 

总结了一点预备知识：

关于几个算法的介绍，网上各大百科都有，笔者不再详细Ctrl+C/V了。不过在写代码之前，即使复制修改人家代码之前，也有必要了解一下几个算法（除了名称之外）的使用流程（不是算法具体的实现，汗！）。

 

对称加密：（AES、DES）

相对于与非对称加密而言，加密、解密用的密匙相同。就像日常生活中的钥匙，开门和锁门都是同一把。

详见：http://baike.baidu.com/view/119320.htm

 

非对称加密：（RSA）

相对于上述的对称加密而言，加密、解密用的密匙不同，有公匙和私匙之分。

详见：http://baike.baidu.com/view/554866.htm

散列算法：（SHA系列，我们熟悉的MD5等）

用途：验证信息有没有被修改。

原理：对长度大的信息进行提炼（通过一个Hash函数），提炼过后的信息长度小很多，得到的是一个固定长度的值（Hash值）。对于两个信息量很大的文件通过比较这两个值，就知道这两个文件是否完全一致（另外一个文件有没有被修改）。从而避免了把两个文件中的信息进行逐字逐句的比对，减少时间开销。

形象地描述：鬼泣3里面维吉尔跟但丁除了发型之外都很像。怎么区分两个双生子？比较他们的DNA就好比是比较信息量很大的文件，然而直接看发型就好比是看Hash值。一眼就看出来了。

 

注：以上是笔者对几个概念的，非常不严格的，非常主观的，概括的描述，想要详细了解，可以：

http://wenku.baidu.com/view/4fb8e0791711cc7931b716aa.html

几个算法的介绍，选择，比较。

 

 

 

……Code speaking……

 

平台：WindowsXP

IDE以及工具：Visual Studio 2008 + Visual Assist

库版本：Crypto++ 5.6.0

 

 

库的文档（包括类和函数的接口列表）： http://www.cryptopp.com/docs/ref/index.html

 

 

对称加密算法：

DES：

一开始笔者并没有找到关于DES运用的很好的例程，或者说，笔者的搜索功力薄弱，未能找到非常完整的例程吧。

http://bbs.pediy.com/showthread.php?p=745389

笔者以下的代码主要是参考上面URL的论坛回帖，但是作了些修改：

 

#include <iostream>

 2#include <des.h>

 3

 4#pragma comment( lib, "cryptlib.lib" )

 5

 6using namespace std;

 7using namespace CryptoPP;

 8

 9int main( void )

10{

11    //主要是打印一些基本信息，方便调试：

12    cout << "DES Parameters: " << endl;

13    cout << "Algorithm name : " << DES::StaticAlgorithmName() << endl; 

14    

15    unsigned char key[ DES::DEFAULT_KEYLENGTH ];

16    unsigned char input[ DES::BLOCKSIZE ] = "12345";

17    unsigned char output[ DES::BLOCKSIZE ];

18    unsigned char txt[ DES::BLOCKSIZE ];

19

20    cout << "input is: " << input << endl;

21

22    //可以理解成首先构造一个加密器

23    DESEncryption encryption_DES;

24

25    //回忆一下之前的背景，对称加密算法需要一个密匙。加密和解密都会用到。

26    //因此，设置密匙。

27    encryption_DES.SetKey( key, DES::KEYLENGTH );

28    //进行加密

29    encryption_DES.ProcessBlock( input, output );

30

31    //显示结果

32    //for和for之后的cout可有可无，主要为了运行的时候看加密结果

33    //把字符串的长度写成一个常量其实并不被推荐。

34    //不过笔者事先知道字符串长，为了方便调试，就直接写下。

35    //这里主要是把output也就是加密后的内容，以十六进制的整数形式输出。

36    for( int i = 0; i < 5; i++ )

37    {

38        cout << hex << (int)output[ i ] << ends;

39    }

40    cout << endl;

41

42    //构造一个加密器

43    DESDecryption decryption_DES;    

44

45    //由于对称加密算法的加密和解密都是同一个密匙，

46    //因此解密的时候设置的密匙也是刚才在加密时设置好的key

47    decryption_DES.SetKey( key, DES::KEYLENGTH );

48    //进行解密，把结果写到txt中

49    //decryption_DES.ProcessAndXorBlock( output, xorBlock, txt );

50    decryption_DES.ProcessBlock( output, txt );

51

52    //以上，加密，解密还原过程已经结束了。以下是为了验证：

53    //加密前的明文和解密后的译文是否相等。

54    if ( memcmp( input, txt, 5 ) != 0 )

55    {

56        cerr << "DES Encryption/decryption failed.\n";

57        abort();

58    }

59    cout << "DES Encryption/decryption succeeded.\n";

60    

61    return 0;

62}

回想一下以上代码的编写过程，就可以发现，进行DES加密，流程大概是：        数据准备；        构造加密器；        设置加密密匙；        加密数据；        显示（非必要）；        设置解密密匙（跟加密密匙是同一个key）；        解密数据；        验证与显示（非必要）；        由此可见，主要函数的调用流程就是这样。但是文档没有详细讲，笔者当时打开下载回来的源文件时，就傻了眼。 猜想：        AES和以后的算法，是不是都是按照这些基本的套路呢？

      AES：   

       在实际运用的时候，从代码上看，AES跟DES非常相像。但是值得注意一点的是，AES取代了DES成为21世纪的加密标准。是因为以其密匙长度和高安全性获得了先天优势。虽然界面上看上去没多大区别，但是破解难度远远大于DES。详细情况，在之前的URL有提及过。             很幸运，笔者很快就找到了AES的使用例程，而且很详细：     

  http://dev.firnow.com/course/3_program/c++/cppsl/2008827/138033.html

#include <iostream>

 2#include <aes.h>

 3

 4#pragma comment( lib, "cryptlib.lib" )

 5

 6using namespace std; 

 7using namespace CryptoPP;

 8

 9int main()

10{

11

12    //AES中使用的固定参数是以类AES中定义的enum数据类型出现的，而不是成员函数或变量

13    //因此需要用::符号来索引

14    cout << "AES Parameters: " << endl;

15    cout << "Algorithm name : " << AES::StaticAlgorithmName() << endl;      

16

17    //Crypto++库中一般用字节数来表示长度，而不是常用的字节数

18    cout << "Block size     : " << AES::BLOCKSIZE * 8 << endl;

19    cout << "Min key length : " << AES::MIN_KEYLENGTH * 8 << endl;

20    cout << "Max key length : " << AES::MAX_KEYLENGTH * 8 << endl;

21

22    //AES中只包含一些固定的数据，而加密解密的功能由AESEncryption和AESDecryption来完成

23    //加密过程

24    AESEncryption aesEncryptor; //加密器 

25

26    unsigned char aesKey[AES::DEFAULT_KEYLENGTH];  //密钥

27    unsigned char inBlock[AES::BLOCKSIZE] = "123456789";    //要加密的数据块

28    unsigned char outBlock[AES::BLOCKSIZE]; //加密后的密文块

29    unsigned char xorBlock[AES::BLOCKSIZE]; //必须设定为全零

30

31    memset( xorBlock, 0, AES::BLOCKSIZE ); //置零

32

33    aesEncryptor.SetKey( aesKey, AES::DEFAULT_KEYLENGTH );  //设定加密密钥

34    aesEncryptor.ProcessAndXorBlock( inBlock, xorBlock, outBlock );  //加密

35

36    //以16进制显示加密后的数据

37    for( int i=0; i<16; i++ ) {

38        cout << hex << (int)outBlock[i] << " ";

39    }

40    cout << endl;

41

42    //解密

43    AESDecryption aesDecryptor;

44    unsigned char plainText[AES::BLOCKSIZE];

45

46    aesDecryptor.SetKey( aesKey, AES::DEFAULT_KEYLENGTH );

47    //细心的朋友注意到这里的函数不是之前在DES中出现过的：ProcessBlock，

48    //而是多了一个Xor。其实，ProcessAndXorBlock也有DES版本。用法跟AES版本差不多。

49    //笔者分别在两份代码中列出这两个函数，有兴趣的朋友可以自己研究一下有何差异。

50    aesDecryptor.ProcessAndXorBlock( outBlock, xorBlock, plainText );

51

52

53    for( int i=0; i<16; i++ ) 

54    {      

55        cout << plainText[i];   

56    }

57    cout << endl;

58

59    return 0;

60}

其实来到这里，都可以发现，加密解密的套路也差不多，至于之后笔者在误打误撞中找到的RSA，也只不过是在设置密匙的时候多了私匙和公匙的区别而已。笔者总觉得，有完整的例程对照学习，是一件很幸福的事情。

 

非对称加密算法：

RSA：

小背景：        其实，笔者在一开始并没有接到“了解RSA”的要求。不过由于笔者很粗心，在看AES的时候只记得A和S两个字母，Google的时候就误打误撞Google了一个RSA。其实RSA方面的资料还是挺多的，因此它事实上是笔者第一个编译运行成功的Crypto++库中算法的应用实例。                 http://www.cnblogs.com/cxun/archive/2008/07/30/743541.html        以下代码主要是按照上述URL中提供的代码写成的，作为笔者的第一份有效学习资料，笔者认为作为调用者的我们，不用清楚算法实现的细节。只需要明白几个主要函数的功用和调用的次序即可。        由以下代码可以看出，其实RSA也离不开：数据准备、设置密匙（注意，有公匙和私匙）、加密解密这样的套路。至于如何产生密匙，有兴趣的朋友可以到Crypto++的主页上下载源文件研究。作为入门和了解阶段，笔者觉得：只需要用起来即可。

//version at Crypto++ 5.60

  2#include "randpool.h"

  3#include "rsa.h"

  4#include "hex.h"

  5#include "files.h"

  6#include <iostream>

  7

  8using namespace std;

  9using namespace CryptoPP;

 10

 11#pragma comment(lib, "cryptlib.lib")

 12

 13

 14//------------------------

 15

 16// 函数声明

 17

 18//------------------------

 19

 20void GenerateRSAKey( unsigned int keyLength, const char *privFilename, const char *pubFilename, const char *seed  );

 21string RSAEncryptString( const char *pubFilename, const char *seed, const char *message );

 22string RSADecryptString( const char *privFilename, const char *ciphertext );

 23RandomPool & GlobalRNG();

 24

 25//------------------------

 26// 主程序

 27//------------------------

 28

 29void main( void )

 30

 31{

 32    char priKey[ 128 ] = { 0 };

 33    char pubKey[ 128 ] = { 0 };

 34    char seed[ 1024 ]  = { 0 };

 35

 36    // 生成 RSA 密钥对

 37    strcpy( priKey, "pri" );  // 生成的私钥文件

 38    strcpy( pubKey, "pub" );  // 生成的公钥文件

 39    strcpy( seed, "seed" );

 40    GenerateRSAKey( 1024, priKey, pubKey, seed );

 41

 42    // RSA 加解密

 43    char message[ 1024 ] = { 0 };

 44    cout<< "Origin Text:\t" << "Hello World!" << endl << endl;

 45    strcpy( message, "Hello World!" );

 46    string encryptedText = RSAEncryptString( pubKey, seed, message );  // RSA 公匙加密

 47    cout<<"Encrypted Text:\t"<< encryptedText << endl << endl;

 48    string decryptedText = RSADecryptString( priKey, encryptedText.c_str() );  // RSA 私匙解密

 49}

 50

 51

 52

 53//------------------------

 54

 55// 生成RSA密钥对

 56

 57//------------------------

 58

 59void GenerateRSAKey(unsigned int keyLength, const char *privFilename, const char *pubFilename, const char *seed)

 60{

 61    RandomPool randPool;

 62    randPool.Put((byte *)seed, strlen(seed));

 63

 64    RSAES_OAEP_SHA_Decryptor priv(randPool, keyLength);

 65    HexEncoder privFile(new FileSink(privFilename));

 66

 67    priv.DEREncode(privFile);

 68    privFile.MessageEnd();

 69

 70    RSAES_OAEP_SHA_Encryptor pub(priv);

 71    HexEncoder pubFile(new FileSink(pubFilename));

 72    pub.DEREncode(pubFile);

 73

 74    pubFile.MessageEnd();

 75

 76    return ；

 77}

 78

 79

 80

 81//------------------------

 82

 83// RSA加密

 84

 85//------------------------

 86

 87string RSAEncryptString( const char *pubFilename, const char *seed, const char *message )

 88{

 89    FileSource pubFile( pubFilename, true, new HexDecoder );

 90    RSAES_OAEP_SHA_Encryptor pub( pubFile );

 91

 92    RandomPool randPool;

 93    randPool.Put( (byte *)seed, strlen(seed) );

 94

 95    string result;

 96    StringSource( message, true, new PK_EncryptorFilter(randPool, pub, new HexEncoder(new StringSink(result))) );

 97    

 98    return result;

 99}

100

101

102



103//------------------------

104// RSA解密

105//------------------------

106

107string RSADecryptString( const char *privFilename, const char *ciphertext )

108{

109    FileSource privFile( privFilename, true, new HexDecoder );

110    RSAES_OAEP_SHA_Decryptor priv(privFile);

111

112    string result;

113    StringSource( ciphertext, true, new HexDecoder(new PK_DecryptorFilter(GlobalRNG(), priv, new StringSink(result))) );

114

115    return result;

116}

117

118

119

120//------------------------

121

122// 定义全局的随机数池

123

124//------------------------

125

126RandomPool & GlobalRNG()

127{

128    static RandomPool randomPool;

129    return randomPool;

130}

散列算法：

SHA-256                                                                                                                                                                                                                                                                     
       SHA-256主要是用来求一大段信息的Hash值，跟之前三个用于加密、解密的算法有所不同。用到SHA的场合，多半是为了校验文件。                 笔者的参考资料：http://hi.baidu.com/magic475/blog/item/19b37a8c1fa15a14b21bbaeb.html        请注意，笔者在实现的时候，稍微修改了一下两个子函数的实现，以满足笔者的需求。因此会与上述URL中的代码有差异。

//http://hi.baidu.com/magic475/blog/item/19b37a8c1fa15a14b21bbaeb.html

  2#include <iostream>

  3#include <string.h>

  4

  5#include "sha.h"

  6#include "secblock.h"

  7#include "modes.h"

  8#include "hex.h"

  9

 10#pragma comment( lib, "cryptlib.lib")

 11

 12using namespace std;

 13using namespace CryptoPP;

 14

 15void CalculateDigest(string &Digest, const string &Message);

 16bool VerifyDigest(const string &Digest, const string &Message);

 17

 18int main( void )

 19{

 20    //main函数中注释掉的，关于strMessage2的代码，其实是笔者模拟了一下

 21    //通过求Hash值来对“大”量数据进行校验的这个功能的运用。

 22    //注释之后并不影响这段代码表达的思想和流程。

 23    string strMessage( "Hello world" );

 24    string strDigest;

 25    //string strMessage2( "hello world" ); //只是第一个字母不同

 26    //string strDigest2;

 27

 28    CalculateDigest( strDigest, strMessage );  //计算Hash值并打印一些debug信息

 29    cout << "the size of Digest is: " << strDigest.size() << endl;

 30    cout << "Digest is: " << strDigest << endl;

 31

 32    //CalculateDigest( strDigest2, strMessage2 );

 33    //why put this function here will affect the Verify function?

 34    //作者在写代码的过程中遇到的上述问题。

 35    //如果把这行代码的注释取消，那么之后的运行结果就不是预料中的一样：

 36    //即使strDigest也无法对应strMessage，笔者不知道为什么，希望高手指出，谢谢！

 37

 38    bool bIsSuccess = false;

 39    bIsSuccess = VerifyDigest( strDigest, strMessage ); 

 40    //通过校验，看看strDigest是否对应原来的message

 41    if( bIsSuccess )

 42    {

 43        cout << "sussessive verify" << endl;

 44        cout << "origin string is: " << strMessage << endl << endl;

 45    }

 46    else

 47    {

 48        cout << "fail!" << endl;

 49    }

 50

 51    //通过strDigest2与strMessage进行校验，要是相等，

 52    //就证明strDigest2是对应的strMessage2跟strMessage1相等。

 53    //否则，像这个程序中的例子一样，两个message是不相等的

 54    /**//*CalculateDigest( strDigest2, strMessage2 );

 55    bIsSuccess = VerifyDigest( strDigest2, strMessage );

 56    if( !bIsSuccess )

 57    {

 58        cout << "success! the tiny modification is discovered~" << endl;

 59        cout << "the origin message is: \n" << strMessage << endl;

 60        cout << "after modify is: \n" << strMessage2 << endl;

 61    }*/

 62    return 0;

 63}

 64

 65

 66//基于某些原因，以下两个子函数的实现跟原来参考代码中的实现有所区别,

 67//详细原因，笔者在CalculateDigest函数的注释中写明

 68void CalculateDigest(string &Digest, const string &Message)

 69{

 70    SHA256 sha256;

 71    int DigestSize = sha256.DigestSize();

 72    char* byDigest;

 73    char* strDigest;

 74

 75    byDigest = new char[ DigestSize ];

 76    strDigest = new char[ DigestSize * 2 + 1 ];

 77

 78    sha256.CalculateDigest((byte*)byDigest, (const byte *)Message.c_str(), Message.size());

 79    memset(strDigest, 0, sizeof(strDigest));

 80    //uCharToHex(strDigest, byDigest, DigestSize);

 81    //参考的代码中有以上这么一行，但是貌似不是什么库函数。

 82    //原作者大概是想把Hash值转换成16进制数保存到一个string buffer中，

 83    //然后在主程序中输出，方便debug的时候对照查看。

 84    //但是这并不影响计算Hash值的行为。

 85    //因此笔者注释掉了这行代码，并且修改了一下这个函数和后面的VerifyDigest函数，

 86    //略去原作者这部分的意图，继续我们的程序执行。

 87

 88    Digest = byDigest;

 89

 90    delete []byDigest;

 91    byDigest = NULL;

 92    delete []strDigest;

 93    strDigest = NULL;

 94

 95    return;

 96}

 97

 98bool VerifyDigest(const string &Digest, const string &Message)

 99{

100    bool Result;

101    SHA256 sha256;

102    char* byDigest;

103

104    byDigest = new char[ sha256.DigestSize() ];

105    strcpy( byDigest, Digest.c_str() );

106

107    //HexTouChar(byDigest, Digest.c_str(), Digest.size());

108    //为何注释掉，请参看CalculateDigest函数的注释

109    Result = sha256.VerifyDigest( (byte*)byDigest, (const byte *)Message.c_str(), Message.size() );

110

111    delete []byDigest;

112    byDigest = NULL;

113    return Result;

114}

    后记：
        为什么写这篇文章呢？因为笔者在搜索过程中觉得这方面的资料有点分散，因此想把它们集中起来，方便刚刚入门的朋友。
        
同时，也算是为自己留点学习资料吧。


鸣谢：
jingzhongrong
vczh

没了这两位，在这个宇宙、这个时间、这个维度肯定不会有这篇文章，哈哈！