Crypto++入门学习笔记(DES、AES、RSA、SHA-256)

Crypto++入门学习笔记(DES、AES、RSA、SHA-256)
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:

 

 1 #include  < iostream >
 2 #include  < des.h >
 3
 4 #pragma comment( lib,  " cryptlib.lib "  )
 5
 6 using   namespace  std;
 7 using   namespace  CryptoPP;
 8
 9 int  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    forint 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}

63

 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

 1 #include  < iostream >
 2 #include  < aes.h >
 3
 4 #pragma comment( lib,  " cryptlib.lib "  )
 5
 6 using   namespace  std; 
 7 using   namespace  CryptoPP;
 8
 9 int  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    forint 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    forint i=0; i<16; i++ ) 
54    {      
55        cout << plainText[i];   
56    }

57    cout << endl;
58
59    return 0;
60}

61
62


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。

  1 // 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
  8 using   namespace  std;
  9 using   namespace  CryptoPP;
 10
 11 #pragma comment(lib,  " cryptlib.lib " )
 12
 13
 14 // ------------------------
 15
 16 //  函数声明
 17
 18 // ------------------------
 19
 20 void  GenerateRSAKey( unsigned  int  keyLength,  const   char   * privFilename,  const   char   * pubFilename,  const   char   * seed  );
 21 string  RSAEncryptString(  const   char   * pubFilename,  const   char   * seed,  const   char   * message );
 22 string  RSADecryptString(  const   char   * privFilename,  const   char   * ciphertext );
 23 RandomPool  &  GlobalRNG();
 24
 25 // ------------------------
 26 //  主程序
 27 // ------------------------
 28
 29 void  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
 59 void  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
 87 string  RSAEncryptString(  const   char   * pubFilename,  const   char   * seed,  const   char   * message )
 88 {
 89    FileSource pubFile( pubFilename, truenew 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, truenew PK_EncryptorFilter(randPool, pub, new HexEncoder(new StringSink(result))) );
 97    
 98    return result;
 99}

100
101
102
103 // ------------------------
104 //  RSA解密
105 // ------------------------
106
107 string  RSADecryptString(  const   char   * privFilename,  const   char   * ciphertext )
108 {
109    FileSource privFile( privFilename, truenew HexDecoder );
110    RSAES_OAEP_SHA_Decryptor priv(privFile);
111
112    string result;
113    StringSource( ciphertext, truenew 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
126 RandomPool  &  GlobalRNG()
127 {
128    static RandomPool randomPool;
129    return randomPool;
130}

131
132


 

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。

  1 // 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
 12 using   namespace  std;
 13 using   namespace  CryptoPP;
 14
 15 void  CalculateDigest( string   & Digest,  const   string   & Message);
 16 bool  VerifyDigest( const   string   & Digest,  const   string   & Message);
 17
 18 int  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
 68 void  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, 0sizeof(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
 98 bool  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}

115
116




        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。
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作者:Gezidan
出处:http://www.rixu.net    
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