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：

 1#include <iostream>
 2#include <des.h>
 3
 4#pragma comment( lib, "cryptlib.lib" )
 5
 6using namespace std;
 7using namespace CryptoPP;
 8
 9int 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    
15    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
20    cout << "input is: " << input << endl;
21
22    //可以理解成首先构造一个加密器
23    DESEncryption encryption_DES;
24
25    //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
31    //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
42    //构造一个加密器
43    DESDecryption decryption_DES;    
44
45    //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
52    //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    
61    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

 1#include <iostream>
 2#include <aes.h>
 3
 4#pragma comment( lib, "cryptlib.lib" )
 5
 6using namespace std; 
 7using namespace CryptoPP;
 8
 9int main()
10{
11
12    //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
17    //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
22    //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
26    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
31    memset( xorBlock, 0, AES::BLOCKSIZE ); //置零
32
33    aesEncryptor.SetKey( aesKey, AES::DEFAULT_KEYLENGTH );  //设定加密密钥
34    aesEncryptor.ProcessAndXorBlock( inBlock, xorBlock, outBlock );  //加密
35
36    //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
42    //解密
43    AESDecryption aesDecryptor;
44    unsigned char plainText[AES::BLOCKSIZE];
45
46    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
52
53    for( int i=0; i<16; i++ ) 
54    {      
55        cout << plainText[i];   
56    }
57    cout << endl;
58
59    return 0;
60}
61
62

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。

  1//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
  8using namespace std;
  9using namespace CryptoPP;
 10
 11#pragma comment(lib, "cryptlib.lib")
 12
 13
 14//------------------------
 15
 16// 函数声明
 17
 18//------------------------
 19
 20void GenerateRSAKey( unsigned int keyLength, const char *privFilename, const char *pubFilename, const char *seed  );
 21string RSAEncryptString( const char *pubFilename, const char *seed, const char *message );
 22string RSADecryptString( const char *privFilename, const char *ciphertext );
 23RandomPool & GlobalRNG();
 24
 25//------------------------
 26// 主程序
 27//------------------------
 28
 29void main( void )
 30
 31{
 32    char priKey[ 128 ] = { 0 };
 33    char pubKey[ 128 ] = { 0 };
 34    char seed[ 1024 ]  = { 0 };
 35
 36    // 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
 42    // 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
 51
 52
 53//------------------------
 54
 55// 生成RSA密钥对
 56
 57//------------------------
 58
 59void 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
 64    RSAES_OAEP_SHA_Decryptor priv(randPool, keyLength);
 65    HexEncoder privFile(new FileSink(privFilename));
 66
 67    priv.DEREncode(privFile);
 68    privFile.MessageEnd();
 69
 70    RSAES_OAEP_SHA_Encryptor pub(priv);
 71    HexEncoder pubFile(new FileSink(pubFilename));
 72    pub.DEREncode(pubFile);
 73
 74    pubFile.MessageEnd();
 75
 76    return ；
 77}
 78
 79
 80
 81//------------------------
 82
 83// RSA加密
 84
 85//------------------------
 86
 87string 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
 92    RandomPool randPool;
 93    randPool.Put( (byte *)seed, strlen(seed) );
 94
 95    string result;
 96    StringSource( message, true, new PK_EncryptorFilter(randPool, pub, new HexEncoder(new StringSink(result))) );
 97    
 98    return result;
 99}
100
101
102
103//------------------------
104// RSA解密
105//------------------------
106
107string 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
126RandomPool & 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。

  1//http://hi.baidu.com/magic475/blog/item/19b37a8c1fa15a14b21bbaeb.html
  2#include <iostream>
  3#include <string.h>
  4
  5#include "sha.h"
  6#include "secblock.h"
  7#include "modes.h"
  8#include "hex.h"
  9
 10#pragma comment( lib, "cryptlib.lib")
 11
 12using namespace std;
 13using namespace CryptoPP;
 14
 15void CalculateDigest(string &Digest, const string &Message);
 16bool VerifyDigest(const string &Digest, const string &Message);
 17
 18int 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
 28    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
 32    //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
 38    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
 51    //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
 65
 66//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
 68void CalculateDigest(string &Digest, const string &Message)
 69{
 70    SHA256 sha256;
 71    int DigestSize = sha256.DigestSize();
 72    char* byDigest;
 73    char* strDigest;
 74
 75    byDigest = new char[ DigestSize ];
 76    strDigest = new char[ DigestSize * 2 + 1 ];
 77
 78    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
 88    Digest = byDigest;
 89
 90    delete []byDigest;
 91    byDigest = NULL;
 92    delete []strDigest;
 93    strDigest = NULL;
 94
 95    return;
 96}
 97
 98bool 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！