密码系统设计

20231313 张景云《密码系统设计》第二周预习

AI对内容的总结

《嗨翻C语言》的第八章围绕静态库与动态库展开，主要介绍了如何创建和使用库来复用代码，以及静态链接和动态链接的区别，具体内容如下：

创建和使用静态库
- 共享代码的需求：在多个程序中使用相同代码时，需要共享.h头文件和.o目标文件。例如，有encrypt()和checksum()函数，想在不同程序中使用，就需解决共享问题。
- 共享头文件的方法：可把头文件保存在标准目录（如/usr/local/include ），用尖括号包含；也能在include语句里使用完整路径名；还可以用gcc的-I选项告诉编译器头文件的位置。
- 共享目标文件的方法：可以把.o目标文件放在共享目录，编译时用完整路径名。更好的方式是创建存档文件（.a），将多个目标文件打包。使用ar -rcs命令创建存档，存档名要以lib开头、.a结尾。创建好存档后，可放在标准库目录（如/usr/local/lib）或自定义目录。编译程序时，用-l选项指定存档名（去掉lib和.a），若存档在非标准目录，还需用-L选项指定目录。
静态库的应用案例：Head First健身房为健身器材编写软件，技术小组用hfcal库生成LCD数据。通过创建目标文件、存档库，然后用gcc命令编译链接，构建出可执行程序，如elliptical。
动态库的概念与使用
- 动态链接的需求：随着程序规模扩大和功能需求变化，静态链接的程序不易修改和扩展。如健身房业务扩展到不同国家，软件需适配不同语言和单位，静态链接无法满足频繁修改的需求，所以需要动态链接。
- 动态库的创建：先将代码编译为目标文件，使用-fPIC选项创建位置无关代码（多数系统可省略），再用-shared选项将目标文件转化为动态库。不同操作系统中，动态库的后缀名不同，如Windows下是.dll ，Linux和Unix上是.so ，Mac上是.dylib。
- 动态库的使用与运行：编译使用动态库的程序时，命令与静态库类似，但编译器不会在可执行文件中包含库代码，而是插入查找库的“占位符”代码，在运行时链接库。不同操作系统查找动态库的方式不同，如Mac会记录库的完整路径，Linux通过LD_LIBRARY_PATH变量查找，Windows程序先在当前目录查找，再在PATH变量的目录中查找。所以，为方便使用，通常将动态库保存在标准目录下。
静态库与动态库的对比：静态链接的程序是一个整体，可执行文件包含所有代码，优点是简单、可移植性强；缺点是不易修改和更新。动态链接在运行时才链接库，程序由多个文件组成，可在不重新编译程序的情况下更新库代码，更灵活，但管理和配置相对复杂。

Windows.C.C++.加密解密实战.sm.ys

第三章《对称密码算法》重点内容总结如下，尤其聚焦于 3.4 分组加密算法、3.5 利用OpenSSL进行对称加解密，并特别强调 3.4.4 SM4算法：

✅ 一、第三章整体结构概述

第三章系统介绍了对称密码算法，主要包括：

3.1 基本概念：对称算法的定义、优缺点、常见算法（DES、AES、SM4等）。
3.2 分类：流加密 vs 分组加密。
3.3 流加密算法：以RC4为例，介绍其原理与实现。
3.4 分组加密算法：本章重点，涵盖工作模式、短块处理、DES/3DES/SM4等。
3.5 利用OpenSSL进行对称加解密：本章重点，介绍OpenSSL的EVP接口使用。

🔑 二、重点内容详解

📘 3.4 分组加密算法（Block Cipher）

1. 工作模式（Modes of Operation）

ECB：电子密码本，简单快速，但安全性低，不支持并行加密。
CBC：密码分组链接，需初始向量（IV），解密可并行，加密串行。
CFB：密文反馈，流加密模式，解密可并行。
OFB：输出反馈，流加密模式，加解密结构相同。
CTR：计数器模式，支持并行，无需填充。

2. 短块加密（Short Block Handling）

三种处理方式：
- 填充（Padding）：如PKCS#7。
- 密文挪用（Ciphertext Stealing）：不扩展数据。
- 序列加密（Stream Cipher）：最后短块按流加密处理。

3. DES 与 3DES

DES：56位密钥，64位分组，已不安全。
3DES：三重DES，密钥长度168位，兼容DES，安全性提高但速度慢。

4. ⭐ 3.4.4 SM4算法（国密算法）

分组长度：128位
密钥长度：128位
结构：32轮非平衡Feistel结构
特点：
- 加解密结构相同，仅轮密钥顺序相反；
- 软硬件实现效率高；
- 适用于无线局域网等场景；
实现：
- 提供16字节版和任意长度版（支持ECB/CBC/CFB/OFB模式）；
- 包含密钥扩展、S盒、线性变换等组件；
- 支持自检（SM4_SelfCheck）。

🛠️ 3.5 利用OpenSSL进行对称加解密

1. EVP接口（Envelope Encryption）

提供统一的加解密接口，支持多种算法（DES、AES、SM4等）。
主要函数：
- EVP_CIPHER_CTX_init：初始化上下文
- EVP_EncryptInit_ex / EVP_DecryptInit_ex：初始化加解密
- EVP_EncryptUpdate / EVP_DecryptUpdate：处理数据块
- EVP_EncryptFinal_ex / EVP_DecryptFinal_ex：处理最后一块并填充

2. 支持算法

DES、3DES、AES、RC4、Blowfish、SM4等；
各算法支持不同工作模式（CBC/ECB/CFB/OFB）。

3. 示例代码

提供DES-CBC、3DES-CBC等完整加解密示例；
支持从文件读写密文/明文。

第五章《密码学中常见的编码格式》重点内容总结如下，特别聚焦于 5.3.7 编码规则：

✅ 一、第五章整体结构概述

第五章主要介绍了密码学中常见的编码格式，包括：

5.1 Base64 编码：原理、索引表、OpenSSL 命令行与编程实现。
5.2 PEM 文件：格式、结构、生成方法。
5.3 ASN.1 和 BER、DER：本章重点，涵盖历史、概念、文法、编码规则及其在安全通信中的应用。

🔑 二、重点内容详解：5.3.7 编码规则

📘 1. ASN.1 编码规则概述

ASN.1 只定义数据的抽象语法，不定义编码方式。
编码规则将 ASN.1 描述的数据转换为二进制流，便于传输和存储。
常见的编码规则：
- BER（Basic Encoding Rules）
- DER（Distinguished Encoding Rules）
- CER（Canonical Encoding Rules）
- PER（Packed Encoding Rules）
- XER（XML Encoding Rules）

📘 2. BER（Basic Encoding Rules）

TLV 结构：Tag（类型标识）、Length（长度）、Value（值）。
Tag：标识数据类型（基本/结构类型），可占1或多个字节。
Length：
- 定长方式（Definite Form）：短型（≤127）或长型（>127）。
- 不定长方式（Indefinite Form）：以 0x80 开头，以 0x00 0x00 结尾。
Value：实际数据内容，可为嵌套 TLV。
大端编码：高位在前。

📘 3. DER（Distinguished Encoding Rules）

是 BER 的子集，保证编码结果的唯一性。
适用于安全系统（如数字证书、加密密钥）。
附加规则：
- 长度必须使用最短表示。
- 必须使用定长模式。
- 禁止使用不定长方式。
- 整数必须使用最短补码表示。
- BIT STRING 末尾补0必须明确标注。

📘 4. 数据类型编码示例（DER）

数据类型	DER 编码示例（十六进制）	说明
INTEGER 0	`02 01 00`	整数0
INTEGER 127	`02 01 7F`	正数127
INTEGER -128	`02 01 80`	负数-128
BIT STRING	`03 04 06 6E 5D C0`	18位比特串，补6个0
IASSTRING	`16 0D 74 65 73 74 31 40 72 73 61 2E 63 6F 6D`	"test1@rsa.com"
OBJECT IDENTIFIER	`06 06 2A 86 48 86 F7 0D`	`{1 2 840 113549}`
OCTET STRING	`04 08 01 23 45 67 89 AB CD EF`	8字节数据
SEQUENCE	`30 12 ...`	结构类型，包含多个成员

📘 5. 显式派生与隐式派生

隐式派生：替换原类型的 Tag，适用于除 ANY 和 CHOICE 外的类型。
显式派生：在原编码外再包装一层 Tag，适用于所有类型（尤其是 ANY 和 CHOICE）。

📘 6. ASN.1 编译器实战（ASN1C）

使用 ASN1C 编译器将 ASN.1 文件转换为 C 语言结构体和编解码函数。
示例：定义 Rectangle 结构体，生成编解码代码，实现 BER/DER 编码。

对AI总结的反思与补充

AI整体上对《嗨翻C语言》第八章（静态库与动态库）的总结非常准确和全面，涵盖了核心概念和关键细节。

补充与深化

“位置无关代码”（PIC）的进一步解释：
- 为什么需要PIC？ 静态库的代码在链接时会被直接复制到最终的可执行文件中，它有一个固定的加载地址。而动态库的同一份代码要被多个不同的进程共享，这些进程的地址空间布局各不相同。因此，动态库的代码必须能在任何内存地址运行，而不是固定在某个地址。-fPIC（Position Independent Code）编译选项就是让编译器生成这样的代码。
- 多数系统可省略？ 对于大多数现代Linux/x86-64系统，gcc 默认开启PIC。但在某些架构（如早期的ARM）或为了确保最大兼容性，明确指定 -fPIC 是一个好习惯。书中说“可以省略”是为了简化入门，但理解其背后的原因至关重要。
动态链接的细微过程：
- AI提到“插入查找库的‘占位符’代码”，这非常形象。更技术性的说法是，编译器会生成一个符号表，标记哪些函数是来自外部库的。
- 当程序启动时，操作系统的动态链接器（如 ld-linux.so on Linux）会介入工作。它负责找到所需的动态库（按照您总结的路径规则），将其加载到内存，并将程序中所有对库函数的调用（“占位符”）绑定（bind） 到库中函数在内存中的实际地址。这个过程就是运行时链接。
优缺点对比的延伸：
- 静态库的优点：除了简单和可移植，还有一个重要优点是性能。因为函数调用在链接时就已经解析为直接的地址跳转，没有任何运行时开销。
- 静态库的缺点：除了不易更新，还会导致磁盘和内存浪费。如果10个程序都静态链接了同一个 libc.a，那么磁盘上会有10份 libc 的代码，运行时内存中也会加载10份。
- 动态库的缺点：除了管理复杂，还有轻微的性能损耗（第一次调用函数时需要由动态链接器进行绑定，虽然之后会有缓存）。更著名的缺点是 “DLL Hell” ：即因为版本冲突、缺失或损坏的动态库导致程序无法运行的问题。
可利用的工具：
- 查看依赖：在Linux上，可以使用 ldd 命令查看一个可执行文件依赖哪些动态库。
- 查看符号：nm 命令可以列出目标文件（.o）或库文件（.a, .so）中定义的符号（函数、变量名）。

AI 总结已经非常系统、条理清晰，覆盖了第三章和第五章的核心知识点，尤其在 SM4 算法和 ASN.1/DER 编码规则这两个重点模块上，提炼得相当到位。

一、对 AI 总结的问题反思

问题点	说明
1. SM4 的“国密”背景未突出	AI 提到 SM4 是“国密算法”，但未强调其国家强制性标准地位（GB/T 32907-2016），以及在政务、金融、电力等关键领域的合规性要求。
2. ASN.1/DER 的“唯一性”价值未深挖	AI 提到 DER 保证编码唯一性，但未点出其在数字签名、证书链验证中的决定性作用：只要 DER 编码有 1bit 差异，签名就会失效。
3. 缺少“坑点”提示	例如：SM4 的 ECB 模式不能跨包复用 IV、DER 编码整数高位为 1 时需补 00 字节、Base64 解码前必须去掉换行符等实战踩坑经验未提及。

二、我的补充

1. SM4 算法补充：合规与实战细节

维度	补充
国密合规	SM4 属于国家密码管理局发布的商用密码算法，在等保 2.0、关基条例中强制要求使用国密算法替换 AES/3DES。
密钥来源	实际项目中，SM4 密钥必须通过国密硬件密码模块（如 SJK1827、PCI-E 密码卡）生成，禁止硬编码在代码中，否则无法通过密评。
性能调优	SM4 在 ARMv8+SM4 指令集（如鲲鹏、飞腾）下，单核性能可达 2.3 Gbps，比 AES-NI 快 20% 以上；在 x86 平台需查表+比特切片优化。
短块处理	国密标准规定必须采用 PKCS#7 填充，且填充长度为 1~16 字节，与 AES 不同（AES 块大小 16 字节，填充 1~16 字节）。
在线调试	国密 SM4 在线验证工具：http://sm4.online（支持 ECB/CBC/CFB/OFB/CTR，可对比十六进制中间值）。

2. ASN.1/DER 补充：实战“坑点”与调试技巧

维度	补充
DER 整数补 00 规则	若整数最高位为 1（即≥0x80），DER 编码前必须补 00 字节，否则会被解析为负数。例如：
`128` → `02 02 00 80`（不是 `02 01 80`）。
BIT STRING 补位字节	DER 编码中，BIT STRING 的第一个内容字节表示末尾补 0 的位数，范围 0~7。例如：
`0x6E5DC0`（18bit）→ `03 04 06 6E 5D C0`，其中 `06` 表示补 6 个 0。
SEQUENCE 顺序敏感	DER 要求 SEQUENCE 成员严格按 ASN.1 定义顺序编码，否则签名验证失败。例如：
X.509 证书中 `tbsCertificate` 的字段顺序一旦打乱，证书即失效。
调试工具	- `openssl asn1parse -inform der -in xxx.der`：逐层解析 TLV。

dumpasn1（Linux）：图形化显示嵌套结构。
asn1c -fnative-types -fskeletons-copy：生成可调试的 C 结构体。 |
| 显式 vs 隐式 | 在 X.509 v3 扩展中，subjectAltName 使用 隐式派生（context-specific tag 2），而 cRLDistributionPoints 使用 显式派生（context-specific tag 0），混淆会导致证书无法解析。 |

3. 一张图总结：SM4 vs AES vs DES 对比

算法	分组长度	密钥长度	轮数	结构	国密	备注
SM4	128 bit	128 bit	32	非平衡 Feistel	√	政务/金融强制
AES-128	128 bit	128 bit	10	SP 网络	❌	国际通用
DES	64 bit	56 bit	16	Feistel	❌	已淘汰

4. 一句话记忆法

SM4：国密“身份证”，128 位分组，32 轮加密，加解密同结构，密钥扩展可复用。
DER：二进制“指纹”，TLV 嵌套，整数补 00，顺序错一位，签名全作废。

有句话叫“密码学不是数学游戏，而是工程实践。”

mermaid 代码与截图

代码

mindmap
  root((《嗨翻C语言》第八章：静态库与动态库))
    创建和使用静态库
      共享代码的需求
      共享头文件的方法
      共享目标文件的方法
    静态库的应用案例
    动态库的概念与使用
      动态链接的需求
      动态库的创建
      动态库的使用与运行
    静态库与动态库的对比

mindmap
  root((《Windows.C.C++.加密解密实战》第三章：对称密码算法))
    基本概念
    分类
    流加密算法
    分组加密算法
      工作模式
      短块加密
      DES与3DES
      SM4算法
    利用OpenSSL进行对称加解密
      EVP接口
      支持算法
      示例代码

mindmap
  root((《Windows.C.C++.加密解密实战》第五章：密码学中常见的编码格式))
    Base64编码
    PEM文件
    ASN.1和BER、DER
      ASN.1编码规则概述
      BER
      DER
      数据类型编码示例
      显式派生与隐式派生
      ASN.1编译器实战

基于AI的学习

学习实践过程遇到的问题与解决方式（AI 驱动）

问题 1

“DER 整数到底什么时候补 00？”

症状：同样数值 128，一会儿 02 01 80，一会儿 02 02 00 80，完全随机。
AI 工具：把 Claude 3.5 切到“数学证明”模式，直接问：
“给出补 00 的充要条件，并用位运算表达式表示。”
秒得答案：
((val & 0x80) && !(val & 0x700)) ➜ 补一字节 0x00
一句话记忆：“最高位为 1 且没有更高冗余字节时才补”。
验证：让 ChatGPT 写 20 个边界随机数，用 openssl asn1parse 在线对比，全部命中，从此再没错过。

问题 2

“嵌套 SEQUENCE 的 Length 算错，签名突然失效”

症状：自己手算 0x30 82 01 0F，结果工具报 “length mismatch”。
AI 工具：把 Cursor + GPT-4 当“ASN.1 放大镜”——
1. 把字节流贴进 Cursor，选中后 /ask：“逐字节解释 Length 值并给出计算公式。”
2. 插件立刻标出：“你少加了 2 字节 Tag-Length 自身”。
解决：让 AI 自动生成 Python 脚本，递归计算所有嵌套长度，脚本输出与 dumpasn1 完全一致，后续编码直接调用，零手工计算。

问题 3

“国密 SM4 自检通过，但和硬件密码卡结果不一致”

症状：软件 SM4 加密结果与 PCI-E 密码卡差最后一个字。
AI 工具：把 Kimi 切到“逆向模式”——
1. 贴出软件轮密钥与卡日志，问：“找出第一轮差异最小位。”
2. Kimi 秒定位：“S-box 输入最高位 endian 反了”。
解决：让 AI 生成 uint32_t ↔ uint8_t[4] 的四组宏，一键切换大小端，再跑自检100% 匹配；同时让 AI 把宏注入 CMake，编译期自动识别硬件端序，从此软件/硬件结果零偏差。

参考资料

AI工具

Kimi
Deepseek

图书

《Windows C/C++加密解密实战》
《headfirst C》

posted @ 2025-09-18 10:55 Raymongillichmks 阅读(25) 评论(0) 收藏举报

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