SSL算法库的理解与测试

SSL算法库包含3类算法，这里分别说明SSH所用到和我们可能用到的算法：
对称加密算法——DES、AES、RC4；
非对称加密算法——RSA、DH；
信息摘要算法（单向哈希算法）——MD5、SHA；

在SSH中，使用RSA算法加密SSH v1的密钥交换过程；使用DH算法加密SSH v2的密钥交换过程，通过DH算法获得会话密钥；使用DES算法加密SSH的会话过程。

 

DES算法

DES算法属于对称加密算法，使用块加密方式，每次加密64bit（8字节）的数据块。
对称加密算法使用同一密钥进行加/解密，可分为块加密和流加密2种方式。其中，块加密可分为4种模式：
1、ECB（Electronic Code Book，电子密码本）：在ECB模式中，每块明文都是独立于其他块加密的。虽然这样做比较高效（可以并行执行多个数据块的加密），但是易受攻击，因为对相同明文块的加密总是产生相同的密文块。在SSL算法库中这是DES基本的加密方式。
2、CBC（Cipher Block Chaining，密码块链接）：在CBC模式中，块是连续加密的，在加密当前明文块之前，用前一次块加密的结果修改当前明文块。这个过程改进了加密的一些特征（例如，相同的明文块不会产生相同的密文块），但是由于其加密过程是连续的，CBC方式不支持加密的并行化。CBC方式使用初始向量（Initialization Vector，IV）来开始链接过程。IV 用于修改被加密的第一个明文块。在SSL算法库中这是DES为SSL提供的加密方式。
3、CFB（Cipher Feedback，密码反馈）
4、OFB（Output Feedback，输出反馈）

对于DES算法的扩展，有3DES和DESX两种算法。

3DES简单的说是使用DES算法进行3重加密，其做法有4种：
1、DES-EEE3：使用3把不同的密钥，依次进行加密-加密-加密。
2、DES-EDE3：使用3把不同的密钥，依次进行加密-解密-加密。
3、DES-EEE3：使用2把不同的密钥，依次进行加密-加密-加密，第3次和第1次使用的密钥相同。
4、DES-EDE3：使用2把不同的密钥，依次进行加密-解密-加密，第3次和第1次使用的密钥相同。

但是3DES做了3次DES加密，所以其效率只有DES的1/3，DESX算法可以不损失效率，同时提高密钥长度。
DESX使用3把不同的密钥，第1把密钥用来对准备加密的块做XOR运算，第2把密钥再对已经作过XOR运算的块再做一次XOR运算，第3把密钥用来进行DES加密。这样，只做了1次DES加密，但是密钥长度是3把密钥的总长度。

 

AES算法

AES算法是美国新的对称数据加密算法，它是作为DES的替代者推出的。相对于DES而言，其特点主要是速度快、保密性高。
AES也采用块加密方式，AES处理的基本块是128bits，即16字节；DES处理的基本块是64bits，即8字节。
AES的密钥长度有3种，128bits、192bits、256bits；DES的密钥长度为56bits，加上8bits的校验位，通常看上去是64bits。
但是AES出来的时间不长，把AES当作注册算法还没有得到大量普及，其实际效果还需要时间的检验 。

 

RC4算法

RC4算法通常用于密钥长度可变的流加密，其特点是算法简捷、速度快。不过目前已经发现了RC4比较大的安全漏洞，正在逐步被RC5取代。

 

RSA算法

RSA算法大家应该比较熟悉，这里提下PKCS和OAEP，PKCS padding和OAEP padding是RSA的两种比较安全的padding方法。
在RSA加密时，是对每个加密块进行加密，加密块在格式化时有一个padding的概念。我们简称：填充字符串为PS，加密块为EB，加密块类型为BT，明文数据为D，则EB格式化表示为：EB = 00||BT||PS||00||D。PS必须由k-3-||D||个字节组成，其中k为模数的长度。

 

DH算法

DH算法通常用于双方协商加密密钥，同时需要DH协商流程的配合。在SSH中用于密钥交换的过程。

 

MD5算法

MD5算法是常用的信息摘要算法（或者说哈希算法）之一，其典型应用是对一段信息产生信息摘要，防止信息被篡改。MD5可以把一个任意长度的字节串变换成一定长的大整数，从而压缩成一种保密的格式。
MD5的哈希值长度是128bits。
目前MD5算法已经被实际破解了——呵呵，那是中国山东的王小云牛人。

 

SHA算法

SSL算法库中的SHA算法包含了SHA和SHA1，以及SHA256、SHA384、SHA512。
SHA是SHA算法的早期版本，存在安全问题。
广泛应用的是SHA1，它也是常用的信息摘要算法之一。SHA1的哈希值长度是160bits，比128bits哈希值算法（如MD5）更安全，但是速度也更慢。
目前SHA1也被理论破解了（破解需要的时间长了点，6000年）——呵呵，还是中国山东的王小云牛人。
SHA256、SHA384、SHA512对应的哈希值长度，顾名思义则是256bits、384bits、512bits。

算法库的测试主要就是针对这7种算法的测试，测试环境是CPU=PPC440，OS=vxworks，Platform=6503

DES测试

测试程序给出16组弱密钥（目前已知64组），当然不是用来测试，而是排除，以及相应的测试数据。
1、cbcm方式
测试数据：1组，初始向量cbc_iv，三把密钥cbc_key，cbc2_key，cbc3_key，明文cbc_data
测试过程：把明文和初始向量进行异或，再进行3des加密，再进行3des解密，再和初始向量进行异或，比较输出和明文。全部一致就成功。
2、ecb方式
测试数据：34组，密钥数据key_data，明文plain_data，密文cipher_data，一组密钥数据产生一把密钥。
测试过程：使用密钥对明文进行des加密，比较输出和密文；再把使用同一密钥进行des解密，比较输出和明文。全部一致就成功。
3、ede ecb方式
测试数据：34组，密钥数据key_data，明文plain_data，密文cipher_ecb2，一组密钥数据产生一把密钥。
测试过程：使用2把密钥，对明文进行3des-ede加密，比较输出和密文；再进行3des-ede解密，比较输出和明文。全部一致就成功。
4、cbc方式
测试数据：1组，初始向量cbc_iv，一把密钥cbc_key，明文cbc_data，密文cbc_ok
测试过程：把明文和初始向量进行异或，再进行des加密，比较输出和密文；再使用同一密钥进行des解密，再和初始向量进行异或，比较输出和明文。全部一致就成功。
5、desx cbc方式
测试数据：1组，初始向量cbc_iv，三把密钥cbc_key，明文cbc_data，密文xcbc_ok
测试过程：把明文和初始向量进行异或，再进行desx加密，比较输出和密文；再进行desx解密，再和初始向量进行异或，比较输出和明文。全部一致就成功。
6、ede cbc方式
测试数据：1组，初始向量cbc_iv，三把密钥cbc_key，明文cbc_data，密文cbc3_ok
测试过程：把明文和初始向量进行异或，再进行3des-ede加密，比较输出和密文；再进行3des-ede解密，再和初始向量进行异或，比较输出和明文。全部一致就成功。
7、pcbc方式
基本同cbc方式，只是进行des加密前的运算方式不同。
8、cfb方式
进行了cfb8、cfb16、cfb32、cfb48、cfb64、ede_cfb64的测试。
9、ofb方式
进行了ofb、ofb64、ede_ofb64的测试。
测试结果：
1、正确性测试：全部通过。
2、速度测试：结果比较稳定，数据如下
2.1、密钥安装：每秒进行298千次，每次耗时3.35us。
2.2、DES-ECB流加密，针对DES基本块：每秒进行353千次，每次耗时2.83us，加密速度2.83M字节/秒。
2.3、DES-CBC块加密，针对1024字节块：每秒进行2.5千次，每次耗时400us，加密速度2.56M字节/秒。
2.4、DES-ED E-CBC块加密，针对1024字节块：每秒进行0.89千次，每次耗时1120us，加密速度0.91M字节/秒。

 

AES测试

测试数据：
来自 http://csrc.nist.gov/ ，一个庞大的测试向量包，其中包含了4种通用块加密模式（ECB、CBC、CFB、OFB），AES的6种测试模式（GFSbox、KeySbox、MCT、MMT、VarKey、VarTxt），以及3种密钥长度（128、192、256bits）的测试向量文件，共4*6*3=72个文件，每个文件含10-100组不等的测试向量。测试主要针对ECB和CBC这2种模式。
测试过程：
1、根据密钥数据，构造加密密钥。
2、对明文进行加密，获得密文，比较密文和已知密文。
3、根据密钥数据，构造解密密钥。
4、对密文进行解密，获得明文，比较明文和已知明文。
5、如果采用了CBC模式，则需要初始向量iv，在加密前使用iv和加密数据作指定运算。
测试注意事项：
1、如果采用了ECB-MMT模式，测试向量给出的明文和密文将超过基本块长度128bits。由于ECB模式下是对固定块加密，而且各块加密是独立的，所以加密时需要将明文分割成固定的128bits块，依次送入加密后，比较时也是按照顺序依次比较128bits密文块数据；反之亦然。如果在CBC模式下，则需要给出加密数据长度。
2、如果采用CBC模式，加密函数会改变送入的初始向量iv。如果不注意这点，解密时送入改变后的iv，则解密会失败。所以需要自己事先保存iv副本，加/解密时送入相同的iv。
测试结果：
1、正确性测试：其中关于MCT的测试向量都失败了，其余的全部通过。
2、速度测试：结果比较稳定，数据如下
对于128位密钥而言
2.1、加密密钥安装：每秒进行368千次，每次耗时2.71us。
2.2、解密密钥安装：每秒进行98千次，每次耗时10.18us。
2.3、AES-ECB块加密，针对AES基本块：每秒进行228千次，每次耗时4.38us，加密速度3.66M字节/秒。
2.4、AES-CBC块加密，针对AES基本块：每秒进行182千次，每次耗时5.50us，加密速度2.91M字节/秒。