物联网实战--驱动篇之(五)TEA和AES加密算法

一、前言

二、TEA算法

三、AES算法

四、加解密测试

五、安全性保障

一、前言

物联网的安全性是经常被提及的一个点，如果你的设备之间通讯没有加密的话，那么攻击者很容易就能获取并解析出报文的协议，从而根据攻击者的需要进行设备操控和敏感信息获取。举个例子，现在有很多的WiFi插座，连接WIFI后用户就能通过手机去控制插座开关，如果设计者对安全不重视，所有报文都是明文，那么攻击者只要设局让用户连在同一个局域网WiFi，获取一些身份信息，即可自己组合相关报文对插座进行控制了，是一件比较危险的事情。

对于设备端，处理器性能有好有差的，所以对于加密算法要根据实际情况去选配，在这里，我们主要介绍TEA和AES两种加密算法，具体的算法原理属于加密学的内容，还是挺难懂的，有兴趣可以自己深入研究，我们这里主要讲下如何封装和使用这两种加密算法。

加解密的流程如下图所示，我们这里都是对称加密，加解密用的同一个密钥，没什么太复杂的流程。

二、TEA算法

TEA是一个非常轻量级的加解密算法，效率高、强度好，很多游戏类有实时性要求的都是用TEA算法，QQ好像也是，它的基本介绍百科里有TEA加密算法_百度百科。对于我们使用者而言，主要有几个点注意下就行了。

1、TEA采用对称加密，数据是8字节一组，密钥是16字节一组，所以对用户层的数据有要求，数据需要8字节对齐，不够的自己补齐再输入；密码要16字节。

2、TEA算法的加密强度跟算法本身关系不大，主要还是加密轮次，建议是32轮，所以驱动库里就写死了，加解密算法轮次要对应。

下面先展现每组的加密单元，代码如下所示：


/*		
================================================================================
描述 :  TEA加密单元
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
void EncryptTEA(u32 *firstChunk, u32 *secondChunk, u32* key)
{
	u32 y = *firstChunk;
	u32 z = *secondChunk;
	u32 sum = 0;
	u32 delta = 0x9e3779b9;

	for (int i = 0; i < 32; i++)//32轮运算(需要对应下面的解密核心函数的轮数一样)
	{
		sum += delta;
		y += ((z << 4) + key[0]) ^ (z + sum) ^ ((z >> 5) + key[1]);
		z += ((y << 4) + key[2]) ^ (y + sum) ^ ((y >> 5) + key[3]);
	}

	*firstChunk = y;
	*secondChunk = z;
 }

/*		
================================================================================
描述 : TEA解密单元
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
void DecryptTEA(u32 *firstChunk, u32 *secondChunk, u32* key)
{
	u32  sum = 0;
	u32  y = *firstChunk;
	u32  z = *secondChunk;
	u32  delta = 0x9e3779b9;

	sum = delta << 5; //32轮运算，所以是2的5次方；16轮运算，所以是2的4次方；8轮运算，所以是2的3次方

	for (int i = 0; i < 32; i++) //32轮运算
	{
		z -= (y << 4) + key[2] ^ y + sum ^ (y >> 5) + key[3];
		y -= (z << 4) + key[0] ^ z + sum ^ (z >> 5) + key[1];
		sum -= delta;
	}

	*firstChunk = y;
	*secondChunk = z;
}

具体核心函数的内部原理我们就不考究了，简单的观察就是4字节+4字节数据与16字节的密码做相关运算。

接下来看下如何调用这个核心加解密函数，具体代码如下：


/*		
================================================================================
描述 :TEA数据加密函数
输入 : buff的长度必须是8的整数倍
输出 : 
================================================================================
*/
u16 tea_encrypt_buff(u8 *buff, u16 len, u32* key)
{
	u8 *p = buff; 
	u16 i,counts;

	if(len%8!=0)
	{
		printf("Encrypt buff len err!\n");
		return 0;
	}
	counts=len/8;	
	for(i=0;i<counts;i++)
	{
		EncryptTEA((u32 *)p, (u32 *)(p + 4), key);
		p+=8;
	}
	return len;
}

/*		
================================================================================
描述 : TEA数据解密函数
输入 : buff的长度必须是8的整数倍
输出 : 
================================================================================
*/
u16 tea_decrypt_buff(u8 *buff, u16 len, u32* key)  
{
	u8 *p = buff; 
	u16 i,counts;

	if(len%8!=0)
	{
		printf("Decryp buff len err!\n");
		return 0;
	}	
	counts=len/8;	
	for(i=0;i<counts;i++)
	{
		DecryptTEA((u32 *)p, (u32 *)(p + 4), key);
		p+=8;
	}
	
	return len;
}

这是自己封装的，主要是检测输入的数据长度有没有8字节对齐，然后调用加解密函数对每个单元的数据一次操作，由于是指针传递，所以明文和密文都是在同一个缓冲区内。

三、AES算法

AES算法是当今使用最多的对称加密算法了，效率高、安全性好，它的实现比较复杂，我们用的是mbedtls库，把其中的AES相关部分拿出来，因为整个库对于单片机来讲着实有点大了GitHub - Mbed-TLS/mbedtls: An open source, portable, easy to use, readable and flexible TLS library, and reference implementation of the PSA Cryptography API. Releases are on a varying cadence, typically around 3 - 6 months between releases.

AES内部还分了5中加密模式，具体看这里介绍，我们选择的是cbc模式，密码16字节，其它模式自己也可以尝试。AES五种加密模式（CBC、ECB、CTR、OCF、CFB） - 知乎

下面具体看下驱动库封装后的程序，代码如下：


/*		
================================================================================
描述 :AES-CBC模式加密
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
int aes_encrypt_buff(u8 *in_buff, u16 in_len,u8 *out_buff, u16 out_size,u8 *passwd)
{
	static mbedtls_aes_context aes_ctx;
	u16 loop_cnts=0;//循环加密次数
	u8 temp_buff[20]={0};
	u8 iv[17]={0},key[17]={0};
	loop_cnts=in_len/16;
	if(in_len%16>0)
		loop_cnts++;

	if(loop_cnts*16>out_size)
		return 0;

	if(strlen((char*)passwd)>16)
	{
		memcpy(key, passwd, 16);
	}
	else
	{
		strcpy((char*)key, (char*)passwd);
	}
	mbedtls_aes_init(&aes_ctx);
	mbedtls_aes_setkey_enc(&aes_ctx, key, 128);
	memset(iv,'0',sizeof(iv));
	for(int i=0;i<loop_cnts;i++)
	{
		if(i==loop_cnts-1 && in_len%16>0)//最后一组
		{
			memset(temp_buff, 0, sizeof(temp_buff));
			memcpy(temp_buff, &in_buff[i*16], in_len%16);//用0填充
		}
		else
		{
			memcpy(temp_buff, &in_buff[i*16], 16);
		}
		mbedtls_aes_crypt_cbc(&aes_ctx,  MBEDTLS_AES_ENCRYPT, 16, iv, temp_buff,  &out_buff[i*16]);
	}

	return loop_cnts*16;
}

/*		
================================================================================
描述 :AES-CBC模式解密
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
int aes_decrypt_buff(u8 *in_buff, u16 in_len,u8 *out_buff, u16 out_size,u8 *passwd)
{
	mbedtls_aes_context aes_ctx;
	u16 loop_cnts=0;//循环加密次数
	u8 temp_buff[16]={0};
	u8 iv[16]={0},key[17]={0};
	loop_cnts=in_len/16;
	if(in_len%16>0)
		return 0;   //密文长度必须是16的整数倍

	if(loop_cnts*16>out_size)
		return 0;

	if(strlen((char*)passwd)>16)
	{
		memcpy(key, passwd, 16);
	}
	else
	{
		strcpy((char*)key, (char*)passwd);
	}
	mbedtls_aes_init(&aes_ctx);
	mbedtls_aes_setkey_dec(&aes_ctx, key, 128);
	memset(iv,'0',sizeof(iv));
	for(int i=0;i<loop_cnts;i++)
	{
		memcpy(temp_buff, &in_buff[i*16], 16);
		mbedtls_aes_crypt_cbc(&aes_ctx,  MBEDTLS_AES_DECRYPT, 16, iv, temp_buff,  &out_buff[i*16]);
	}
	return loop_cnts*16;
}

CBC模式需要初始化向量，这里全部初始化为‘0’，核心还是调用mbedtls的库函数，代码自行阅读，接下来做一些测试，看下如何使用。

四、加解密测试

测试环境如下所示：

如果采用的是净化器项目的工程代码，那么user_opt.h和rtconfig.h文件参数修改下，不然RAM不够用，任务无法运行，AES算法有点吃内存，对于小身板来讲比较够呛。

下面是测试代码，放在user_app.c文件里，代码如下：

  
  u8 in_buff[32]={"0123456789ABCDEF0123456789ABCDEF"};
  u8 out_buff[32]={0};
  u8 passwd[16]={"0123456789123456"};
  
  //TEA加解密测试
  printf("*****start tea test!\n");
  printf("000 in_buff=%s\n", in_buff); 
  tea_encrypt_buff(in_buff, 32, (u32*)passwd);//TEA加密
  printf_hex("out_buff=", in_buff, 32);//打印密文

  tea_decrypt_buff(in_buff, 32, (u32*)passwd);//TEA解密
  
  printf("111 in_buff=%s\n", in_buff);//打印解密明文  
  
  //AES加解密测试
  printf("\n*****start aes test!\n");
  printf("000 in_buff=%s\n", in_buff); 
  aes_encrypt_buff(in_buff, 32, out_buff, 32, passwd);//AES加密
  printf_hex("out_buff=", out_buff, 32);//打印密文
  
  memset(in_buff, 0, 32);//清空明文区
  aes_decrypt_buff(out_buff, 32, in_buff, 32, passwd);//AES解密
  
  printf("222 in_buff=%s\n", in_buff);

测试结果如下图所示，密文用16进制的方式打印，不然是乱码：

从结果上看，加解密算法没什么问题，速度也还可以，不过AES算法对于STM32F103C8T6可能还是有点大了，芯片的RAM是20KB，单纯AES文件就要用掉10KB左右，所以对于前端小型设备，可能还是TEA算法比较合适，这个自行选择。

五、安全性保障

现在回到物联网本身，有哪些我们可以采用加密传输呢？像购买的从机设备一般是没办法的，比如485温湿度传感器，这种厂家已经固定程序了，不会为你去做适配的，不过这一类传感器也不必要加密通讯了，因为它是有线局部传输，物理环境本身比较安全。备端的加密一般放在无线组网方面和主机与服务器通讯方面。

首先无线组网数据容易被截获，如果内容是加密的，对方破解需要代价和时间，如果你在内容里加上时间戳等信息，可以有效防止重放攻击，以后会讲的LoRa自组网就会用到加密算法了。

主机跟服务器方面就不用多说了，这部分如果没有加密的话很容易被攻击，因为数据一般是发往互联网的，攻击者的操作手段太多了，我们只能尽可能得做好数据加密，防止一些常规手段的攻击。

安全性不单单是加密算法的事，更重要的是密钥的存放，如果密钥很容易就被获取了，那么跟没加密是一样的。对于单片机设备，如果有一定价值，攻击者可以通过非正常手段读取单片机内部flash的所有内容，如果你的密钥是明文写在程序内的，对方很快就能获悉了，所以一个高可靠性产品的代码写起来确实不容易，至于要如何防止，只能在后续项目实操中融入了。

代码链接：https://download.csdn.net/download/ypp240124016/89105829

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