Crypto++入门学习笔记（DES、AES、RSA、SHA-256）(加解密) - linyawen

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Crypto++入门学习笔记（DES、AES、RSA、SHA-256）(加解密)

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

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

#pragma comment( lib, "cryptlib.lib" )
5

using namespace std;
7

using namespace CryptoPP;
8

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

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

cout << "input is: " << input << endl;
21

//可以理解成首先构造一个加密器
23

DESEncryption encryption_DES;
24

//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

//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

//构造一个加密器
43

DESDecryption decryption_DES;
44

//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

//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

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

#include <iostream>
2

#include <aes.h>
3

#pragma comment( lib, "cryptlib.lib" )
5

using namespace std;
7

using namespace CryptoPP;
8

int main()
10

{
11

//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

//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

//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

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

memset( xorBlock, 0, AES::BLOCKSIZE ); //置零
32

aesEncryptor.SetKey( aesKey, AES::DEFAULT_KEYLENGTH ); //设定加密密钥
34

aesEncryptor.ProcessAndXorBlock( inBlock, xorBlock, outBlock ); //加密
35

//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

//解密
43

AESDecryption aesDecryptor;
44

unsigned char plainText[AES::BLOCKSIZE];
45

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

for( int i=0; i<16; i++ )
54

{
55

cout << plainText[i];
56

}
57

cout << endl;
58

return 0;
60

}
61

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

using namespace std;
9

using namespace CryptoPP;
10

#pragma comment(lib, "cryptlib.lib")
12

//------------------------
15

// 函数声明
17

//------------------------
19

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

//------------------------
26

// 主程序
27

//------------------------
28

void main( void )
30

{
32

char priKey[ 128 ] = { 0 };
33

char pubKey[ 128 ] = { 0 };
34

char seed[ 1024 ] = { 0 };
35

// 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

// 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

//------------------------
54

// 生成RSA密钥对
56

//------------------------
58

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

RSAES_OAEP_SHA_Decryptor priv(randPool, keyLength);
65

HexEncoder privFile(new FileSink(privFilename));
66

priv.DEREncode(privFile);
68

privFile.MessageEnd();
69

RSAES_OAEP_SHA_Encryptor pub(priv);
71

HexEncoder pubFile(new FileSink(pubFilename));
72

pub.DEREncode(pubFile);
73

pubFile.MessageEnd();
75

return ；
77

}
78

//------------------------
82

// RSA加密
84

//------------------------
86

string 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

RandomPool randPool;
93

randPool.Put( (byte *)seed, strlen(seed) );
94

string result;
96

StringSource( message, true, new PK_EncryptorFilter(randPool, pub, new HexEncoder(new StringSink(result))) );
97

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, 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

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。

//http://hi.baidu.com/magic475/blog/item/19b37a8c1fa15a14b21bbaeb.html
2

#include <iostream>
3

#include <string.h>
4

#include "sha.h"
6

#include "secblock.h"
7

#include "modes.h"
8

#include "hex.h"
9

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

using namespace std;
13

using namespace CryptoPP;
14

void CalculateDigest(string &Digest, const string &Message);
16

bool VerifyDigest(const string &Digest, const string &Message);
17

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

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

//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

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

//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

//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

byDigest = new char[ DigestSize ];
76

strDigest = new char[ DigestSize * 2 + 1 ];
77

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

Digest = byDigest;
89

delete []byDigest;
91

byDigest = NULL;
92

delete []strDigest;
93

strDigest = NULL;
94

return;
96

}
97

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。

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！

posted on 2013-08-23 14:20 linyawen 阅读(6491) 评论(0) 收藏举报

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