AES加解密之C++实现
一、AES介绍
AES，高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)为最常见的对称加密算法(微信小程序加密传输就是用这个加密算法的)。对称加密算法也就是加密和解密用相同的密钥，具体的加密流程如下图：
下面简单介绍下各个部分的作用与意义：
明文P
没有经过加密的数据。
密钥K
用来加密明文的密码，在对称加密算法中，加密与解密的密钥是相同的。密钥为接收方与发送方协商产生，但不可以直接在网络上传输，否则会导致密钥泄漏，通常是通过非对称加密算法加密密钥，然后再通过网络传输给对方，或者直接面对面商量密钥。密钥是绝对不可以泄漏的，否则会被攻击者还原密文，窃取机密数据。
AES加密函数
设AES加密函数为E，则 C = E(K, P),其中P为明文，K为密钥，C为密文。也就是说，把明文P和密钥K作为加密函数的参数输入，则加密函数E会输出密文C。
密文C
经加密函数处理后的数据
AES解密函数
设AES解密函数为D，则 P = D(K, C),其中C为密文，K为密钥，P为明文。也就是说，把密文C和密钥K作为解密函数的参数输入，则解密函数会输出明文P。
在这里简单介绍下对称加密算法与非对称加密算法的区别。
对称加密算法
加密和解密用到的密钥是相同的，这种加密方式加密速度非常快，适合经常发送数据的场合。缺点是密钥的传输比较麻烦。
非对称加密算法
加密和解密用的密钥是不同的，这种加密方式是用数学上的难解问题构造的，通常加密解密的速度比较慢，适合偶尔发送数据的场合。优点是密钥传输方便。常见的非对称加密算法为RSA、ECC和EIGamal。
实际中，一般是通过RSA加密AES的密钥，传输到接收方，接收方解密得到AES密钥，然后发送方和接收方用AES密钥来通信。
二、AES结构
AES为分组密码，分组密码也就是把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。在AES标准规范中，分组长度只能是128位，也就是说，每个分组为16个字节（每个字节8位）。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，如下表所示：
|AES 密钥长度（32位比特字) |分组长度(32位比特字) |加密轮数
AES-128 4 4 10
AES-192 6 4 12
AES-256 8 4 14
这里实现的是AES-128，也就是密钥的长度为128位，加密轮数为10轮。
上面说到，AES的加密公式为C = E(K,P)，在加密函数E中，会执行一个轮函数，并且执行10次这个轮函数，这个轮函数的前9次执行的操作是一样的，只有第10次有所不同。也就是说，一个明文分组会被加密10轮。AES的核心就是实现一轮中的所有操作。
AES的处理单位是字节，128位的输入明文分组P和输入密钥K都被分成16个字节，分别记为P = P0 P1 … P15 和 K = K0 K1 … K15。如，明文分组为P = abcdefghijklmnop,其中的字符a对应P0，p对应P15。一般地，明文分组用字节为单位的正方形矩阵描述，称为状态矩阵。在算法的每一轮中，状态矩阵的内容不断发生变化，最后的结果作为密文输出。该矩阵中字节的排列顺序为从上到下、从左至右依次排列
解密过程仍为10轮，每一轮的操作是加密操作的逆操作。由于AES的4个轮操作都是可逆的，因此，解密操作的一轮就是顺序执行逆行移位、逆字节代换、轮密钥加和逆列混合。同加密操作类似，最后一轮不执行逆列混合，在第1轮解密之前，要执行1次密钥加操作。
AES的S和逆S盒
AES的字节代换其实就是一个简单的查表操作。AES定义了一个S盒和一个逆S盒,S盒如下：
行/列 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
0 0x63 0x7c 0x77 0x7b 0xf2 0x6b 0x6f 0xc5 0x30 0x01 0x67 0x2b 0xfe 0xd7 0xab 0x76
1 0xca 0x82 0xc9 0x7d 0xfa 0x59 0x47 0xf0 0xad 0xd4 0xa2 0xaf 0x9c 0xa4 0x72 0xc0
2 0xb7 0xfd 0x93 0x26 0x36 0x3f 0xf7 0xcc 0x34 0xa5 0xe5 0xf1 0x71 0xd8 0x31 0x15
3 0x04 0xc7 0x23 0xc3 0x18 0x96 0x05 0x9a 0x07 0x12 0x80 0xe2 0xeb 0x27 0xb2 0x75
4 0x09 0x83 0x2c 0x1a 0x1b 0x6e 0x5a 0xa0 0x52 0x3b 0xd6 0xb3 0x29 0xe3 0x2f 0x84
5 0x53 0xd1 0x00 0xed 0x20 0xfc 0xb1 0x5b 0x6a 0xcb 0xbe 0x39 0x4a 0x4c 0x58 0xcf
6 0xd0 0xef 0xaa 0xfb 0x43 0x4d 0x33 0x85 0x45 0xf9 0x02 0x7f 0x50 0x3c 0x9f 0xa8
7 0x51 0xa3 0x40 0x8f 0x92 0x9d 0x38 0xf5 0xbc 0xb6 0xda 0x21 0x10 0xff 0xf3 0xd2
8 0xcd 0x0c 0x13 0xec 0x5f 0x97 0x44 0x17 0xc4 0xa7 0x7e 0x3d 0x64 0x5d 0x19 0x73
9 0x60 0x81 0x4f 0xdc 0x22 0x2a 0x90 0x88 0x46 0xee 0xb8 0x14 0xde 0x5e 0x0b 0xdb
A 0xe0 0x32 0x3a 0x0a 0x49 0x06 0x24 0x5c 0xc2 0xd3 0xac 0x62 0x91 0x95 0xe4 0x79
B 0xe7 0xc8 0x37 0x6d 0x8d 0xd5 0x4e 0xa9 0x6c 0x56 0xf4 0xea 0x65 0x7a 0xae 0x08
C 0xba 0x78 0x25 0x2e 0x1c 0xa6 0xb4 0xc6 0xe8 0xdd 0x74 0x1f 0x4b 0xbd 0x8b 0x8a
D 0x70 0x3e 0xb5 0x66 0x48 0x03 0xf6 0x0e 0x61 0x35 0x57 0xb9 0x86 0xc1 0x1d 0x9e
E 0xe1 0xf8 0x98 0x11 0x69 0xd9 0x8e 0x94 0x9b 0x1e 0x87 0xe9 0xce 0x55 0x28 0xdf
F 0x8c 0xa1 0x89 0x0d 0xbf 0xe6 0x42 0x68 0x41 0x99 0x2d 0x0f 0xb0 0x54 0xbb 0x16
状态矩阵中的元素按照下面的方式映射为一个新的字节：把该字节的高4位作为行值，低4位作为列值，取出S盒或者逆S盒中对应的行的元素作为输出。
逆字节代换也就是查逆S盒来变换，逆S盒如下：
行/列 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
0 0x52 0x09 0x6a 0xd5 0x30 0x36 0xa5 0x38 0xbf 0x40 0xa3 0x9e 0x81 0xf3 0xd7 0xfb
1 0x7c 0xe3 0x39 0x82 0x9b 0x2f 0xff 0x87 0x34 0x8e 0x43 0x44 0xc4 0xde 0xe9 0xcb
2 0x54 0x7b 0x94 0x32 0xa6 0xc2 0x23 0x3d 0xee 0x4c 0x95 0x0b 0x42 0xfa 0xc3 0x4e
3 0x08 0x2e 0xa1 0x66 0x28 0xd9 0x24 0xb2 0x76 0x5b 0xa2 0x49 0x6d 0x8b 0xd1 0x25
4 0x72 0xf8 0xf6 0x64 0x86 0x68 0x98 0x16 0xd4 0xa4 0x5c 0xcc 0x5d 0x65 0xb6 0x92
5 0x6c 0x70 0x48 0x50 0xfd 0xed 0xb9 0xda 0x5e 0x15 0x46 0x57 0xa7 0x8d 0x9d 0x84
6 0x90 0xd8 0xab 0x00 0x8c 0xbc 0xd3 0x0a 0xf7 0xe4 0x58 0x05 0xb8 0xb3 0x45 0x06
7 0xd0 0x2c 0x1e 0x8f 0xca 0x3f 0x0f 0x02 0xc1 0xaf 0xbd 0x03 0x01 0x13 0x8a 0x6b
8 0x3a 0x91 0x11 0x41 0x4f 0x67 0xdc 0xea 0x97 0xf2 0xcf 0xce 0xf0 0xb4 0xe6 0x73
9 0x96 0xac 0x74 0x22 0xe7 0xad 0x35 0x85 0xe2 0xf9 0x37 0xe8 0x1c 0x75 0xdf 0x6e
A 0x47 0xf1 0x1a 0x71 0x1d 0x29 0xc5 0x89 0x6f 0xb7 0x62 0x0e 0xaa 0x18 0xbe 0x1b
B 0xfc 0x56 0x3e 0x4b 0xc6 0xd2 0x79 0x20 0x9a 0xdb 0xc0 0xfe 0x78 0xcd 0x5a 0xf4
C 0x1f 0xdd 0xa8 0x33 0x88 0x07 0xc7 0x31 0xb1 0x12 0x10 0x59 0x27 0x80 0xec 0x5f
D 0x60 0x51 0x7f 0xa9 0x19 0xb5 0x4a 0x0d 0x2d 0xe5 0x7a 0x9f 0x93 0xc9 0x9c 0xef
E 0xa0 0xe0 0x3b 0x4d 0xae 0x2a 0xf5 0xb0 0xc8 0xeb 0xbb 0x3c 0x83 0x53 0x99 0x61
F 0x17 0x2b 0x04 0x7e 0xba 0x77 0xd6 0x26 0xe1 0x69 0x14 0x63 0x55 0x21 0x0c 0x7d
三、实现
说那么多没用，只需要了解对应原理就行，最终还是落在代码的实现上，为了可复用性、模块化和组件化，我依然封装为dll库，提供了如下三个接口：
- 秘钥初始化接口
因为AES是对称加密，加解密用的同一个密码，这里我提供了一个秘钥初始化接口，初始化后加密和解密则使用该秘钥进行加解密。
// ------------------------------------------------------------------------
// Function:
// Initial Encode or Decoder private key
// Remark:
// This interface must be invoked before Encode_Data or Decoder_Data
// Parameter:
// pPrivateKey[in] : private key
// nKeyByteLen[in] : private key len
// Return:
// return 0 if initial success else return -1
// ------------------------------------------------------------------------
AESENCRYPT_API int AES_InitlizeKey(char* pPrivateKey, AESKey nKeyByteLen);
该接口提供了两个参数，指定秘钥信息以及秘钥长度。
- 数据加密接口
// ------------------------------------------------------------------------
// Function:
// Encode source data
// Remark:
// AES_InitlizeKey must be invoked before invoke AES_Encode_Data
// Parameter:
// pSrcData[in] : not encrypted source data
// pDestBuf[in] : buffer that stored encrypted data
// nSrcDataLenOrBufLen[in-out] :
// input source data len or the result len,
// AES algorithmic does not change the len
// of input data len,so the input length equal
// result length
// Return:
// return 0 if initial success else return -1
// ------------------------------------------------------------------------
AESENCRYPT_API long AES_Encode_Data(char* pSrcData,
char* pDestBuf,
unsigned long nSrcDataLenOrBufLen);
该接口提供了三个参数，需要加密的文本数据，加密后存放的数据缓存以及缓存长度。
- 解密数据接口
// ------------------------------------------------------------------------
// Function:
// Decode source data
// Remark:
// AES_InitlizeKey must be invoked before invoke AES_Decode_Data
// Parameter:
// pSrcEncryptData[in] : encrypted source data
// pDestBuf[in] : buffer that stored decoded data
// nSrcEncryptDataLenOrBufLen[in-out] :
// input encrypted data len or the result len,
// AES algorithmic does not change the len
// of input data len,so the input length equal
// result length
// Return:
// return 0 if initial success else return -1
// ------------------------------------------------------------------------
AESENCRYPT_API long AES_Decode_Data(char* pSrcEncryptData,
char* pDestBuf,
unsigned long nSrcEncryptDataLenOrBufLen);
该接口提供数据解密，第一个参数为需要解密的数据，第二个为解密之后的数据缓存以及数据缓存长度。
加密核心实现
AES是分段多轮加密过程，其核心实现代码如下：
void Cipher(unsigned char* input, unsigned char* output)
{
int i = 0;
memset(&State[0][0],0,16);
// 明文[128bit=16字节=4*4状态举证]状态数据初始化
for(i=0;i<4*g_Nb;i++)
{
State[i%4][i/4]=input[i];
}
// 轮密钥加[初始轮1加上Nr轮=Nr+1轮=Nr+1轮秘钥数组]
AddRoundKey(0);
// 进行Nr-1轮加密,最后一轮不需要列混淆
for (int round = 1; round <= g_Nr; round++)
{
SubBytes(); //字节代换
ShiftRows(); //行移位
if(round != g_Nr)
MixColumns(); //列混淆
AddRoundKey(round); //轮密钥加
}
// 输出加密后的状态数据[加密前明文与加密后明文长度未变化]
// 因为它是针对状态数据进行各项复杂操作的
for (i = 0; i < (4 * g_Nb); i++)
{
output[i] = State[i % 4][ i / 4];
}
}
解密核心实现
解密其实就是一个逆向过程，实现核心代码如下：
void InvCipher(unsigned char* input,unsigned char* output)
{
memset(&State[0][0],0,16);
for (int i = 0; i < (4 * g_Nb); i++)
{
State[i % 4][ i / 4] = input[i];
}
AddRoundKey(g_Nr);
for (int round = g_Nr-1; round >= 1; round--) // main round loop
{
InvShiftRows();
InvSubBytes();
AddRoundKey(round);
InvMixColumns();
} // end main round loop for InvCipher
InvShiftRows();
InvSubBytes();
AddRoundKey(0);
// output = state
for (int i = 0; i < (4 * g_Nb); i++)
{
output[i] = State[i % 4][ i / 4];
}
}
相关函数实现
// 轮密钥加
void AddRoundKey(int round)
{
// 注: 秘钥块大小为Nk行一共Nr+1轮秘钥Nk为4-6-8大于等于明文矩阵行4
// 故而多出秘钥块后面[所有行最后多出的不是每个秘钥块多出的]不参与
// 秘钥加运行,Nk的增加也就是秘钥长度的增加只是起了增加轮Nr的作用
// 所以每轮的作用行只有4行
// b0 b4 b8 b12 k0 k1 k2 k3
// b0 b4 b8 b12 ^ k4 k5 k6 k7
// b0 b4 b8 b12 k8 k9 k10k11
// b0 b4 b8 b12 k12k13k14k15
int i,j; //i行 j列 //因为密钥w是一列一列排列的，即 k0 k4 k8 k12
for(j=0;j<4;j++) // k1 k5 k9 k13
{ // k2 k6 k10k14
for(i=0;i<4;i++) // k3 k7 k11k15
{ // 所以i行j列的下标是4*((round*4)+j)+i即16*round+4*j+i
State[i][j]=(unsigned char)((int)State[i][j]^(int)w[4*((round*4)+j)+i]);
}
}
}
// 字节代换函数
void SubBytes()
{
int i,j;
for(j=0;j<4;j++)
{
for(i=0;i<4;i++)
{
State[i][j]=AesSbox[State[i][j]];
//因为 16*(State[i][j]>>4)+State[i][j]&0x0f=State[i][j]
}
}
}
// 逆字节代换函数
void InvSubBytes()
{
int i,j;
for(j=0;j<4;j++)
{
for(i=0;i<4;i++)
{
State[i][j]=AesiSbox[State[i][j]]; //因为 16*(State[i][j]>>4)+State[i][j]&0x0f=State[i][j]
}
}
}
// 行移位
void ShiftRows()
{
unsigned char temp[4*4]; //Page105
int i,j;
for(j=0;j<4;j++)
{
for(i=0;i<4;i++)
{
temp[4*i+j]=State[i][j];
}
}
for(i=1;i<4;i++)
{
for(j=0;j<4;j++)
{
if(i==1)State[i][j]=temp[4*i+(j+1)%4]; //第一行左移1位
else if(i==2)State[i][j]=temp[4*i+(j+2)%4]; //第二行左移2位
else if(i==3)State[i][j]=temp[4*i+(j+3)%4]; //第三行左移3位
}
}
}
// 逆行移位
void InvShiftRows()
{
unsigned char temp[4*4];
int i,j;
for(j=0;j<4;j++)
{
for(i=0;i<4;i++)
{
temp[4*i+j]=State[i][j];
}
}
for(i=1;i<4;i++)
{
for(j=0;j<4;j++)
{
//if(i==1)State[i][j]=temp[4*i+(j-1)%4]; 在此犯了一个错误 -1%4=-1 而不是3，所以采用了下面再加一个4的做法
if(i==1)State[i][j]=temp[4*i+(j+3)%4]; //第一行右移1位 j-1+4=j+3
else if(i==2)State[i][j]=temp[4*i+(j+2)%4]; //第二行右移2位 j-2+4=j+2
else if(i==3)State[i][j]=temp[4*i+(j+1)%4]; //第三行右移3位 j-3+4=j+2
}
}
}
四、测试
一下提供AES测试代码：
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
// 32byte秘钥(256bit)
char* pKey = "12345678123456781234567812345678";
AES_InitlizeKey(pKey,AESKey_32);
// 需要加密的数据
char* pSrc = "dw123456";
int nLen = strlen(pSrc);
// 加密数据
char szBuf[1024] = {0};
int nOutLen = AES_Encode_Data(pSrc,szBuf,nLen);
cout << "Encrypt source:" << pSrc << endl;
cout << "Encrypt Result:" << szBuf << endl;
// 将秘钥base分装--传输
string strBase64 = Base64Helper::encode((const BYTE*)szBuf, nOutLen);
int x = strBase64.length();
// 解密秘闻
char szUncrypt[1024] = {0};
int nUnLen = strlen(szBuf);
nOutLen = AES_Decode_Data(szBuf,szUncrypt,nUnLen);
cout << "UnEncrypt Result:" << szUncrypt << endl;
system("pause");
}
加密和解密测试如下：
可以看到明文dw123456经过AES加密之后变成了密文，然后又被解密为dw123456
五、文件加解密
加密测试
通过以上封装之后，我们就可以实现对文件的加密和解密了，这里我封装了一个demon，需要加密的原文如下（问题列表）：
我们将使用如下demon进行加密，密码为24字节(192bit)-123456781234567812345678：
加密完成后生成文件“问题_Encrypt.txt”,密文如下：
解密测试
通过加密完成之后，文件是基本无法阅读的，所以我们需要用我们的密码解密，我们重新选择输入文件为加密后的密文文件，再次解密：
解密之后生成文件“问题_Encrypt_Dcrypt.txt”，文件内容如下：
通过文件内容，我们可以看到密文确实被解密了，核心加密代码如下：
BOOL CFileEncoderDlg::Encrypt(CString strInputFile, CString strKey,CString strDirectory)
{
AESKey eKeyType = AESKey_16;
if(24 == strKey.GetLength())
{
eKeyType = AESKey_24;
}
else if (32 == strKey.GetLength())
{
eKeyType = AESKey_32;
}
AES_InitlizeKey((LPTSTR)(LPCTSTR)strKey, eKeyType);
TCHAR szTitle[MAX_PATH] = {_T("")};
CFileUtil::GetFileTitleEx(strInputFile, szTitle, MAX_PATH);
CString strFileName(szTitle);
TCHAR szExt[MAX_PATH] = {_T("")};
CFileUtil::GetFileExtName(strInputFile, szExt, MAX_PATH);
strFileName += _T("_Encrypt.");
strFileName += szExt;
CString strOutputPath = strDirectory + _T("/");
strOutputPath += strFileName;
FILE* pFile = fopen((LPTSTR)(LPCTSTR)strInputFile, "rb");
if(NULL == pFile)
{
return FALSE;
}
FILE* pOutputFile = fopen((LPTSTR)(LPCTSTR)strOutputPath, "wb");
if(NULL == pOutputFile)
{
fclose(pFile);
return FALSE;
}
while (0 == feof(pFile))
{
char szBuffer[1024] = {0};
int nLen = fread(szBuffer, 1, 1024, pFile);
if (nLen > 0)
{
char szEncrypt[1024+16+16] = {0}; // 可能多出16字节加密长度
int nEncryptLen = AES_Encode_Data(szBuffer, szEncrypt, nLen);
if (nEncryptLen > 0)
{
fwrite(szEncrypt, 1, nEncryptLen, pOutputFile);
}
}
}
fclose(pFile);
fclose(pOutputFile);
return TRUE;
}
核心解码代码如下：
BOOL CFileEncoderDlg::Decrypt(CString strInputFile, CString strKey, CString strDirectory)
{
AESKey eKeyType = AESKey_16;
if(24 == strKey.GetLength())
{
eKeyType = AESKey_24;
}
else if (32 == strKey.GetLength())
{
eKeyType = AESKey_32;
}
AES_InitlizeKey((LPTSTR)(LPCTSTR)strKey, eKeyType);
TCHAR szTitle[MAX_PATH] = {_T("")};
CFileUtil::GetFileTitleEx(strInputFile, szTitle, MAX_PATH);
CString strFileName(szTitle);
TCHAR szExt[MAX_PATH] = {_T("")};
CFileUtil::GetFileExtName(strInputFile, szExt, MAX_PATH);
strFileName += _T("_Dcrypt.");
strFileName += szExt;
CString strOutputPath = strDirectory + _T("/");
strOutputPath += strFileName;
FILE* pFile = fopen((LPTSTR)(LPCTSTR)strInputFile, "rb");
if(NULL == pFile)
{
return FALSE;
}
FILE* pOutputFile = fopen((LPTSTR)(LPCTSTR)strOutputPath, "wb");
if(NULL == pOutputFile)
{
fclose(pFile);
return FALSE;
}
while (0 == feof(pFile))
{
char szBuffer[1024+16] = {0};
int nLen = fread(szBuffer, 1, 1024+16, pFile);
if (nLen > 0)
{
char szDcrypt[2048] = {0};
int nDcryptLen = AES_Decode_Data(szBuffer, szDcrypt, nLen);
if (nDcryptLen > 0)
{
fwrite(szDcrypt, 1, nDcryptLen, pOutputFile);
}
}
}
fclose(pFile);
fclose(pOutputFile);
return TRUE;
}
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