openssl对称加密代码讲解实战

花落已飘2024-11-12 1:37

文章目录

一、openssl对称加密和非对称加密算法对比

OpenSSL 是一个广泛使用的加密库，提供了丰富的对称加密和非对称加密算法。这两类加密方式各有不同的特点和适用场景。以下是两者的对比：

1. 加密原理

  • 对称加密：

    • 使用相同的密钥进行加密和解密。
    • 密钥在加密和解密双方之间共享，因此需要一个安全的密钥传输方式。
    • 加密速度较快，适合加密大量数据。

  • 非对称加密：

    • 使用一对密钥：公钥和私钥。公钥用于加密，私钥用于解密。
    • 公钥可以公开，私钥则需要保护，只有拥有私钥的人才能解密公钥加密的数据。
    • 适合小数据量加密和签名，但处理大数据效率较低。

2. 常用算法

  • 对称加密算法（在 OpenSSL 中支持的常见算法）：

    • AES（高级加密标准）：流行且安全的对称加密算法，支持 128、192 和 256 位密钥长度。
    • SM4：主要用于中国的商用密码标准，采用 128 位密钥。
    • DES 和 3DES（数据加密标准及三重数据加密标准）：早期的加密算法，但已不再安全，较少使用。

  • 非对称加密算法（在 OpenSSL 中支持的常见算法）：

    • RSA：广泛使用的非对称算法，密钥长度通常为 2048 或 4096 位。
    • ECC（椭圆曲线加密）：基于椭圆曲线的加密，密钥较短但安全性高，用于资源受限的环境。
    • DSA（数字签名算法）：主要用于签名，常见于数字证书。

3. 加密速度

  • 对称加密：

    • 对称加密算法如 AES 在处理速度上显著优于非对称加密，非常适合大文件或大量数据的加密。
    • 常用于文件加密、数据存储、网络数据传输加密等场景。

  • 非对称加密：

    • 非对称加密算法处理速度慢，因为其运算更为复杂，适合小数据量的加密，如数字签名和密钥交换。
    • 在实际应用中，通常将其与对称加密结合使用，通过非对称加密传输对称密钥来实现安全的密钥交换，后续的数据传输则使用对称加密。

4. 安全性

  • 对称加密：

    • 安全性依赖于密钥长度和算法设计；例如，AES-256 被认为是非常安全的对称加密算法。
    • 密钥必须在传输中保持安全，一旦密钥泄露，数据的机密性将受到威胁。

  • 非对称加密：

    • 安全性依赖于密钥长度和密钥保护。比如 RSA-2048 被认为是安全的，而 ECC 则以较短密钥提供更高安全性。
    • 私钥的安全性至关重要，如果私钥泄露，任何持有公钥的人都可以解密数据。

5. 应用场景

  • 对称加密的应用场景：

    • 用于 HTTPS 中的数据加密（结合非对称加密交换密钥后）。
    • 云存储、数据库等大文件的加密保护。
    • VPN、WiFi 等网络传输中对数据的加密。

  • 非对称加密的应用场景：

    • 数字签名，用于认证数据的来源和完整性。
    • SSL/TLS 协议中，用于加密对称加密密钥并验证通信双方身份。
    • 数据加密用于保护敏感信息的小文件，例如加密密码、密钥或数字证书。

6. 优缺点对比

对比项目 对称加密 非对称加密
密钥数量 1 个密钥，共享密钥 1 对密钥（公钥和私钥）
加密速度 快，适合大数据 慢，适合小数据
安全性 密钥泄露会导致数据泄密 公钥泄露不会影响数据的私密性
密钥分配 需要安全的密钥传输 私钥无需传输，安全性更高
典型应用 大数据文件的加密、VPN、存储加密 SSL/TLS、数字签名、密钥交换

综合分析

OpenSSL 中通常结合对称加密和非对称加密，以实现性能与安全性兼备的加密方案。例如，在 SSL/TLS 协议中，服务器会先使用非对称加密交换密钥，然后使用对称加密传输数据。

二、代码实战

下面是使用 OpenSSL 实现对称加密的示例代码，采用 AES-256-CBC 算法对数据进行加密。此代码会生成一个随机的初始向量（IV），并且使用固定的密钥对数据加密。

c 复制代码 
#include <openssl/evp.h>
#include <openssl/rand.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define AES_KEY_LENGTH 32  // AES-256, so 256 bits = 32 bytes
#define AES_BLOCK_SIZE 16

void handleErrors() {
    ERR_print_errors_fp(stderr);
    abort();
}

// 对称加密函数
int aes_encrypt(unsigned char *plaintext, int plaintext_len, unsigned char *key,
                unsigned char *iv, unsigned char *ciphertext) {
    EVP_CIPHER_CTX *ctx;
    int len;
    int ciphertext_len;

    // 创建并初始化上下文
    if (!(ctx = EVP_CIPHER_CTX_new())) handleErrors();

    // 初始化加密操作，指定 AES-256-CBC 算法
    if (1 != EVP_EncryptInit_ex(ctx, EVP_aes_256_cbc(), NULL, key, iv)) handleErrors();

    // 加密数据
    if (1 != EVP_EncryptUpdate(ctx, ciphertext, &len, plaintext, plaintext_len))
        handleErrors();
    ciphertext_len = len;

    // 完成加密
    if (1 != EVP_EncryptFinal_ex(ctx, ciphertext + len, &len)) handleErrors();
    ciphertext_len += len;

    // 释放上下文
    EVP_CIPHER_CTX_free(ctx);
    return ciphertext_len;
}

int main() {
    // 32 字节的密钥 (256 位)
    unsigned char key[AES_KEY_LENGTH] = "0123456789abcdef0123456789abcdef";
    
    // 生成 16 字节的初始向量 (128 位)
    unsigned char iv[AES_BLOCK_SIZE];
    if (!RAND_bytes(iv, AES_BLOCK_SIZE)) {
        fprintf(stderr, "随机生成初始向量失败\n");
        return 1;
    }

    unsigned char plaintext[] = "This is the data to encrypt";  // 要加密的数据
    unsigned char ciphertext[128];  // 存储密文的缓冲区

    // 执行加密操作
    int ciphertext_len = aes_encrypt(plaintext, strlen((char *)plaintext), key, iv, ciphertext);

    // 打印初始向量
    printf("Initial Vector (IV): ");
    for (int i = 0; i < AES_BLOCK_SIZE; i++) {
        printf("%02x ", iv[i]);
    }
    printf("\n");

    // 打印加密后的数据（密文）
    printf("Ciphertext (hex): ");
    for (int i = 0; i < ciphertext_len; i++) {
        printf("%02x ", ciphertext[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

代码说明：

  • 初始化加密上下文 ：使用 EVP_CIPHER_CTX_new() 创建加密上下文。
  • 设置加密算法和密钥 ：通过 EVP_EncryptInit_ex() 指定 AES-256-CBC 算法。
  • 加密数据 ：EVP_EncryptUpdate() 用于加密数据块。
  • 完成加密 ：EVP_EncryptFinal_ex() 处理最后的数据块。
  • 生成随机初始向量（IV） ：RAND_bytes() 生成随机 IV，确保加密的安全性。

运行输出示例

plaintext 复制代码 
Initial Vector (IV): 1a 2b 3c 4d ... (随机生成)
Ciphertext (hex): ae f5 67 89 ... (加密后的密文)

注意：密钥和初始向量（IV）应安全存储，并且应仅与需要解密的接收方共享。

这是对应解密代码，解密前需要与加密代码相同的密钥和初始向量（IV），用相同的算法参数对密文进行解密：

c 复制代码 
#include <openssl/evp.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define AES_KEY_LENGTH 32  // 256 位密钥
#define AES_BLOCK_SIZE 16  // AES 块大小 128 位（16 字节）

void handleErrors() {
    ERR_print_errors_fp(stderr);
    abort();
}

// 对称解密函数
int aes_decrypt(unsigned char *ciphertext, int ciphertext_len, unsigned char *key,
                unsigned char *iv, unsigned char *plaintext) {
    EVP_CIPHER_CTX *ctx;
    int len;
    int plaintext_len;

    // 创建并初始化上下文
    if (!(ctx = EVP_CIPHER_CTX_new())) handleErrors();

    // 初始化解密操作，使用 AES-256-CBC 算法
    if (1 != EVP_DecryptInit_ex(ctx, EVP_aes_256_cbc(), NULL, key, iv)) handleErrors();

    // 提供待解密的数据
    if (1 != EVP_DecryptUpdate(ctx, plaintext, &len, ciphertext, ciphertext_len))
        handleErrors();
    plaintext_len = len;

    // 完成解密操作
    if (1 != EVP_DecryptFinal_ex(ctx, plaintext + len, &len)) handleErrors();
    plaintext_len += len;

    // 清理上下文
    EVP_CIPHER_CTX_free(ctx);
    return plaintext_len;
}

int main() {
    // 密钥和 IV 与加密时保持一致
    unsigned char key[AES_KEY_LENGTH] = "0123456789abcdef0123456789abcdef";
    unsigned char iv[AES_BLOCK_SIZE] = {0x1a, 0x2b, 0x3c, 0x4d, 0x5e, 0x6f, 0x7a, 0x8b,
                                        0x9c, 0xad, 0xbe, 0xcf, 0xde, 0xef, 0xfa, 0x1b};

    unsigned char ciphertext[] = {0xae, 0xf5, 0x67, 0x89, /* ... 加密数据的字节数组 */};
    unsigned char decryptedtext[128];  // 缓冲区用于存储解密后的明文

    // 执行解密操作
    int decryptedtext_len = aes_decrypt(ciphertext, sizeof(ciphertext), key, iv, decryptedtext);

    // 添加字符串终止符
    decryptedtext[decryptedtext_len] = '\0';

    // 输出解密后的明文
    printf("Decrypted text: %s\n", decryptedtext);

    return 0;
}

代码说明：

  • 初始化解密上下文 ：使用 EVP_CIPHER_CTX_new() 创建解密上下文。
  • 设置解密算法和密钥 ：通过 EVP_DecryptInit_ex() 指定 AES-256-CBC 算法。
  • 解密数据 ：EVP_DecryptUpdate() 用于处理密文的主要部分。
  • 完成解密 ：EVP_DecryptFinal_ex() 处理最后的数据块，并将明文长度加到总长度中。
  • 输出解密结果 ：解密后的数据存储在 decryptedtext 中，作为原始的明文数据输出。

注意事项

  • 密钥和初始向量（IV）必须与加密时一致。
  • 输出的解密文本会和加密前的原始文本一致。
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