crypto++加密库简单使用

目录

crypto++密码学库简单使用

一、简介

二、配置

三、使用示例

1.CRC32校验

2.Base64编码

3.Blake2b

4.AES

5.RSA

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一、简介

        crypto++是一个免费开源（公共领域）的C++密码学库，首作者叫Wei Dai（美籍华裔姓Dai）。

        它包含主流的密码学方案，比如对称加密AES，非对称RSA，哈希函数SHA2等。还包含更常见但不够安全的功能，比如SHA1、MD5。还有没有安全需求的常见功能，比如CRC32、Base64。在官网还列出一大堆功能，读者可以自行查阅。

二、配置

        官网地址：Crypto++ Library 8.6 | Free C++ Class Library of Cryptographic Schemes

        wiki地址：Crypto++ Wiki

        作者主页：Wei Dai's Home Page

        github地址：GitHub - weidai11/cryptopp: free C++ class library of cryptographic schemes

        通过官网可以下载库，官网有API参考，不过看wiki的教程会比较轻松。

        库自带vc工程文件，在windows平台很方便使用。

三、使用示例

        为了使代码简单，我们使用两个类型声明（包含<cryptlib.h>头文件，引用CryptoPP命名空间）：

#include <cryptlib.h>
using namespace CryptoPP;

using p = CryptoPP::byte*;
using cp = const CryptoPP::byte*;

1.CRC32校验

        CRC本意为循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check），CRC32一般用来校验数据的完整性，它输出一个32位长度的值。由于算法简单，输出值不够长，没有安全考虑，只是单纯的验证数据的完整性。比如硬盘出错、网络传输、比特翻转等造成的数据错误可以很快的检测出来，而理论上一些不法分子可以篡改文件内容，但使CRC32校验值依旧相同，从而让别人使用被篡改的文件。

#include <crc.h>
dnd::n32 HashCrc32(const Buffer& buf)
{
	n32 ret;
	CRC32 hash;
	hash.Update((cp)buf._p, buf._size);
	hash.Final((p)&ret);
	return ret;
}

bool HashCrc32Check(const Buffer& buf, n32 digest)
{
	CRC32 hash;
	hash.Update((cp)buf._p, buf._size);
	return hash.Verify((cp)&digest);
}

        其中Buffer为一段内存，p为首地址，size为长度。n32为32位无符号整型。

        将代码中的CRC32类型，替换为CRC32C即可使用CRC32-C版本。CRC32-C在TCP/IP中使用，所以也叫Internet校验和，它比CRC32更新一些，效率也高一点，应该优先使用它。

2.Base64编码

        所谓Base64编码，意译即是使用64个符号来编码。首先它编码的目标是字节流，即基本单位为字节（byte），当然在一般的C/C++代码里面，处理数据的基本单位也是字节，而不是位。所以大家常说的二进制流，比特流与字节流差异不大（但还是有区别）。

        众所周知1个字节为8位，即表示范围为[0, 255]，但是ascii码表并非都是可见字符。所以任意的一段内存数据并不能直接使用可见字符的形式表示出来（比如数据中的0，在ascii码中表示结束符）。

        所以Base64编码将256个值用64个值表示。64个值如下：

A	B	C	D	E	F	G	H
I	J	K	L	M	N	O	P
Q	R	S	T	U	V	W	X
Y	Z	a	b	c	d	e	f
g	h	i	j	k	l	m	n
o	p	q	r	s	t	u	v
w	x	y	z	0	1	2	3
4	5	6	7	8	9	+	/

        由于64=2^6，那么一个Base64码，需要6位二进制。那么3个比特（byte）是24位，则可以用4个Base64码表示。

        所以任意数据都可以通过Base64编码为可见字符，它还有两个规则：每76个字符（密文）换行；原文不是3字节的倍数补0，每补一个字节末尾添加一个=。当然3的非0余数只有1和2，所以只会出现最多两个=。

#include <base64.h>
dnd::Buffer EncodeBase64(const Buffer& buf)
{
	Buffer ret;

	string str_sink;
	StringSource ss((cp)buf._p, buf._size, true,
		new Base64Encoder(
			new StringSink(str_sink)
		) // Base64Encoder
	); // StringSource
	ret.Copy(str_sink);
	return ret;
}

dnd::Buffer DecodeBase64(const Buffer& buf)
{
	Buffer ret;

	string str_sink;
	StringSource ss((cp)buf._p, buf._size, true,
		new Base64Decoder(
			new StringSink(str_sink)
		) // Base64Encoder
	); // StringSource
	ret.Copy(str_sink);
	return ret;
}

        上面的代码中，我们使用StringSink接收编码（或解码）后的数据。然后我们调用Buffer::Copy从string_sink复制了一份内存。此处的内存复制讲道理可以优化，不过暂未研究出来。

3.Blake2b

        此算法用于替代不安全的MD5，更快更简单更安全。与CRC32等哈希函数一样，它的结果值是固定长度的，所以我们使用固定大小的类型来返回结果。

using Blake2b = array<byte, 64>;//长度为64字节

#include <blake2.h>
Blake2b HashBlake2b(const Buffer& buf)
{
	assert(!buf.Empty());

	Blake2b ret;
	BLAKE2b hash;
	hash.Update((cp)buf._p, buf._size);
	hash.Final((p)&ret);
	return ret;
}

bool HashBlake2bCheck(const Buffer& buf, Blake2b digest)
{
	assert(!buf.Empty());

	BLAKE2b hash;
	hash.Update((cp)buf._p, buf._size);
	return hash.Verify((cp)&digest);
}

4.AES

        AES全称高级加密标准（Advanced Encryption Standard），属于对称加密算法，即加密与解密均使用同一密钥。它比DES算法先进，DES加密算法已经不安全。

        使用AES首先要生成密钥，它还会生成一个IV来重复使用同一个密钥（可以简单视为密码的一部分）。它的长度我们使用默认的，所以如下定义类型：

using AesKey = array<byte, 16>;
using AesIV = array<byte, 16>;

        而库本身使用SecByteBlock类来保存密码，因为它释放后会清空内存，防止关键信息残留内存。这一点可具体看文档说明，这里简单起见，直接复制了出来。

#include <osrng.h>
#include <rijndael.h>
tuple<AesKey, AesIV> GenerateAES()
{
	AutoSeededRandomPool prng;

	SecByteBlock key(AES::DEFAULT_KEYLENGTH);
	SecByteBlock iv(AES::BLOCKSIZE);

	prng.GenerateBlock(key, key.size());
	prng.GenerateBlock(iv, iv.size());

	tuple<AesKey, AesIV> ret;
	AesKey& ret_key = get<0>(ret);
	AesIV& ret_iv = get<1>(ret);

	memcpy(ret_key.data(), key.data(), key.size());
	memcpy(ret_iv.data(), iv.data(), iv.size());

	return ret;
}

        通过上面的函数可以生成密钥（key、iv对），如下所示，使用了std::tuple，然后我将其打印了出来。

auto [key, iv] = Crypto::GenerateAES();
debug_test(format("key：{}", toString(key)));
debug_test(format("iv ：{}", toString(iv)));

key：2d9e6c261b2625eb728121e77a68fe6c
iv ：f9f9178a3ca880c21895ae4b3047a68a

        接下来是加密与解密，它俩代码基本一致，只是CBC_Mode<AES>::Encryption换为了CBC_Mode<AES>::Decryption：

Buffer EncryptAES(const Buffer& buf, const AesKey& in_key, const AesIV& in_iv)
{
	SecByteBlock key((cp)in_key.data(), in_key.size());
	SecByteBlock iv((cp)in_iv.data(), in_iv.size());

	CBC_Mode<AES>::Encryption e;
	e.SetKeyWithIV(key, key.size(), iv);

	Buffer ret;
	//ArraySink是固定长度的接收缓冲区
	string str_sink;
	StringSource s((cp)buf._p, buf._size, true,
		new StreamTransformationFilter(e,
			new StringSink(str_sink)
		) // StreamTransformationFilter 
	); // StringSource 

	ret.Copy(str_sink);
	return ret;
}


Buffer DecryptAES(const Buffer& buf, const AesKey& in_key, const AesIV& in_iv)
{
	SecByteBlock key((cp)in_key.data(), in_key.size());
	SecByteBlock iv((cp)in_iv.data(), in_iv.size());

	CBC_Mode<AES>::Decryption e;
	e.SetKeyWithIV(key, key.size(), iv);

	Buffer ret;
	//ArraySink是固定长度的接收缓冲区
	string str_sink;
	StringSource s((cp)buf._p, buf._size, true,
		new StreamTransformationFilter(e,
			new StringSink(str_sink)
		) // StreamTransformationFilter 
	); // StringSource 

	ret.Copy(str_sink);
	return ret;
}

5.RSA

        RSA由三位作者完成，所以RSA为三位作者名字首字母的合称。RSA为非对称加密算法，它的密钥分为公钥和私钥。一般公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。但是也可以私钥加密，而公钥来解密。

        私钥由自己保存，不会通过网络传输，也就不存在窃听的可能（除非主机被入侵直接获取到私钥，或者你把私钥发给别人）。

        公钥是公开的密码，别人使用公钥对数据进行加密，然后其余人没有私钥是无法进行解密的。所以这保证了：别人发送给你的信息不会泄漏。

        而你私钥加密的信息，任何人有公钥都能解密，这只能证明你拥有私钥，即验证身份。但不能对信息保密。

        RSA算法的根基是基于大质数难以分解的数学问题，原理可以参考我这篇博客：

RSA加密原理_略游的博客-CSDN博客

        假设你要与朋友交流一些不可告人的事情，实际上使用AES对称加密算法也足够了。首先生成一个AES密钥，然后两人记录下来（不能通过网络发送，存在被窃听可能）。然后将加密后的数据通过网络传输，这样别人即使窃取到数据，而不知道密钥，是无法解密的。
        服务器与客户端的交互，可以生成一个临时的AES密钥，用于双方交流信息。但是它们无法提前约定密钥，所以必须使用非对称加密的魔法来传递密钥信息。

        但是使用RSA发送AES密钥时，需要注意对方给予的公钥是真的。比如甲给乙要发送AES密钥，所以乙给了甲自己的公钥，等到乙接受到密文后使用乙的私钥即可解密获得AES密钥。但是这个过程，丙可以伪装自己是乙，将丙的公钥发送给甲，待甲用丙的公钥加密后，这样甲的AES密钥便会泄漏给丙。

        所以现在的CA证书，便是通过CA机构认证后颁发，来证明某公钥是某人的拥有者。

        代码如下，我没有直接生成密钥，而是通过参数保存，私钥是(n,d)对，而公钥是(n,e)对，pq是两个大质数，不过此处不需要使用pq：

#include <modes.h>
#include <rsa.h>
#include <integer.h>

//BigInteger就是Integer，可以自行替换
struct RsaKeyPrivate
{
	BigInteger _n;
	BigInteger _e;
	BigInteger _d;
};
struct RsaKeyPublic
{
	BigInteger _n;
	BigInteger _e;
};

tuple<RsaKeyPrivate, RsaKeyPublic> GenerateRSA()
{
	AutoSeededRandomPool rng;

	InvertibleRSAFunction params;
	params.GenerateRandomWithKeySize(rng, 3072);

	/*
	///
	// Generated Parameters
	const Integer& n = params.GetModulus();
	const Integer& p = params.GetPrime1();
	const Integer& q = params.GetPrime2();
	const Integer& d = params.GetPrivateExponent();
	const Integer& e = params.GetPublicExponent();

	///
	// Dump
	cout << "RSA Parameters:" << endl;
	cout << " n: " << n << endl;
	cout << " p: " << p << endl;
	cout << " q: " << q << endl;
	cout << " d: " << d << endl;
	cout << " e: " << e << endl;
	cout << endl;
	*/
	///
	//生成密钥
	/*RSA::PrivateKey priKey(params);
	RSA::PublicKey	pubKey(params);*/

	//返回
	tuple<RsaKeyPrivate, RsaKeyPublic> ret;
	RsaKeyPrivate& key_pri = get<0>(ret);
	RsaKeyPublic& key_pub = get<1>(ret);

	const Integer& n = params.GetModulus();
	const Integer& d = params.GetPrivateExponent();
	const Integer& e = params.GetPublicExponent();
	*((Integer*)(key_pri._n.GetImp())) = n;
	*((Integer*)(key_pri._d.GetImp())) = d;
	*((Integer*)(key_pri._e.GetImp())) = e;

	*((Integer*)(key_pub._n.GetImp())) = n;
	*((Integer*)(key_pub._e.GetImp())) = e;

	return ret;
}

        在加密和解密时，再生成密钥，代码如下：

dnd::Buffer EncryptRSA(const Buffer& buf, const RsaKeyPublic& key_pub)
{
	AutoSeededRandomPool rng;

	RSA::PublicKey pubKey;

	RsaKeyPublic& key = const_cast<RsaKeyPublic&>(key_pub);
	const Integer n = *((Integer*)key._n.GetImp());
	const Integer e = *((Integer*)key._e.GetImp());
	pubKey.Initialize(n, e);

	RSAES_OAEP_SHA_Encryptor encryptor(pubKey);

	Buffer ret;
	string str_sink;
	StringSource ss((cp)buf._p, buf._size, true,
		new PK_EncryptorFilter(rng, encryptor,
			new StringSink(str_sink)
		) // PK_EncryptorFilter 
	); // StringSource 

	ret.Copy(str_sink);
	return ret;
}


dnd::Buffer DecryptRSA(const Buffer& buf, const RsaKeyPrivate& key_pri)
{
	AutoSeededRandomPool rng;
	RSA::PrivateKey priKey;

	RsaKeyPrivate& key = const_cast<RsaKeyPrivate&>(key_pri);
	const Integer& n = *((Integer*)key._n.GetImp());
	const Integer& e = *((Integer*)key._e.GetImp());
	const Integer& d = *((Integer*)key._d.GetImp());
	priKey.Initialize(n, e, d);

	RSAES_OAEP_SHA_Decryptor decryptor(priKey);

	Buffer ret;
	string str_sink;
	StringSource ss((cp)buf._p, buf._size, true,
		new PK_DecryptorFilter(rng, decryptor,
			new StringSink(str_sink)
		) // PK_DecryptorFilter 
	); // StringSource 

	ret.Copy(str_sink);
	return ret;
}

        不过上面的代码会产生内存泄漏（反复使用不会产生额外的泄漏），原因参见：

Memory leak in Singleton::Ref()? · Issue #550 · weidai11/cryptopp · GitHub