OpenSSL实现AES的ECB和CBC加解密，可一次性加解密任意长度的明文字符串或字节流（QT C++环境）

news2024/11/27 16:49:28

本篇博文讲述如何在Qt C++的环境中使用OpenSSL实现AES-ECB/CBC-Pkcs7加/解密，可以一次性加解密一个任意长度的明文字符串或者字节流，但不适合分段读取加解密的（例如，一个4GB的大型文件需要加解密，要分段读取，每次读取10MB，就加解密10MB，这种涉及全文件填充，而不是每个10MB片段填充具有较复杂的上下文处理，本文不探讨这种）

Qt中的QByteArray比较好用，所以我本篇文章不使用标准C++的unsigned char数组，而是用QByteArray代替，所以要依赖Qt的环境，如果你不用Qt就想办法把QByteArray改回unsigned char数组。

一、简介

AES：略（自行百度）

ECB：略（自行百度）

CBC：略（自行百度）

PKCS7：填充方式，AES支持多种填充方式：如NoPadding、PKCS5Padding、ISO10126Padding、PKCS7Padding、ZeroPadding。PKCS7兼容PKCS5,目前PKCS7比较通用。

二、实现方式

1.使用以下4个接口实现AES的ECB和CBC加解密，注意：PKCS7的填充需要自己另外实现，想要对大型文件分段读取整体加解密的话非常麻烦，要自己想办法处理上下文衔接问题，这4个接口在Openssl的v3.0版本以后被标记为废弃接口，但还可以使用：

int AES_set_encrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits, AES_KEY *key);
int AES_set_decrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits, AES_KEY *key);
void AES_ecb_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, const AES_KEY *key, const int enc);
void AES_cbc_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,size_t length, const AES_KEY *key, unsigned char *ivec, const int enc);

2.使用Openssl的EVP接口实现AES的ECB和CBC加解密，EVP接口内置各种填充不需要我们自己实现了，另外利用其自带的上下文结构特性，可以进行大型文件分段读取整体加解密，使用简易性和灵活性都很高，但是执行效率和资源消耗比非evp接口差一些。（推荐，v3.0前后的版本都可以兼容，但执行效率比上面4个接口稍差）：

EVP_CIPHER_CTX *EVP_CIPHER_CTX_new(void);
void EVP_CIPHER_CTX_free(EVP_CIPHER_CTX *c);
EVP_CIPHER_CTX_init(EVP_CIPHER_CTX *c);

int EVP_CIPHER_CTX_set_padding(EVP_CIPHER_CTX *c, int pad);

int EVP_EncryptInit_ex(EVP_CIPHER_CTX *ctx, const EVP_CIPHER *cipher, ENGINE *impl, const unsigned char *key, const unsigned char *iv);
int EVP_EncryptUpdate(EVP_CIPHER_CTX *ctx, unsigned char *out, int *outl, const unsigned char *in, int inl);
int EVP_EncryptFinal_ex(EVP_CIPHER_CTX *ctx, unsigned char *out, int *outl);

int EVP_DecryptInit_ex(EVP_CIPHER_CTX *ctx, const EVP_CIPHER *cipher, ENGINE *impl, const unsigned char *key, const unsigned char *iv);
int EVP_DecryptUpdate(EVP_CIPHER_CTX *ctx, unsigned char *out, int *outl, const unsigned char *in, int inl);
int EVP_DecryptFinal_ex(EVP_CIPHER_CTX *ctx, unsigned char *outm, int *outl);

三、实现Pkcs7填充/去除填充

描述：使用Openssl v3.0以前的旧接口实现，Pkcs7填充/去除填充需要自己实现。

创造一个Pkcs7填充/去填充的工具类WJPPadding，封装Pkcs7填充/去除填充的静态接口：

#ifndef WJPPADDING_H
#define WJPPADDING_H

#include <QByteArray>

/**
 * @brief 数据填充类（对齐类）
 * 算法数据填充模式，提供对数据进行PKCS7填充和去除填充的相关函数。
 */

class WJPPadding
{
public:
    WJPPadding();

    /**
     * @brief 根据原始数据长度，计算PKCS7填充后的数据长度
     * @param dataLen 原始数据长度
     * @param alignSize 对齐字节数
     * @return 返回填充后的数据长度
     */
    static int getPKCS7PaddedLength(int dataLen, int alignSize);

    /**
     * @brief 采用PKCS7Padding方式，将in数据进行alignSize字节对齐填充,填充后输出到out
     * 此函数用于加密前，对明文进行填充。
     * @param in 原始数据
     * @param out 填充后的数据
     * @param alignSize 对齐字节数（对于aes加解密，一般都是16 Byte）
     * @return 无返回
     */
    static void PKCS7Padding(const QByteArray &in, QByteArray &out, int alignSize);

    /**
     * @brief 采用PKCS7Padding方式，将in数据去除填充。
     * 此函数用于解密后，对解密结果进一步去除填充，以得到原始数据，直接在原数据中剔除
     * @param in 需要去除填充的数据
     * @return 无返回
     */
    static void PKCS7UnPadding(QByteArray &in);
};

#endif // WJPPADDING_H

#include "wjppadding.h"

WJPPadding::WJPPadding()
{

}

int WJPPadding::getPKCS7PaddedLength(int dataLen, int alignSize)
{
    // 计算填充的字节数（按alignSize字节对齐进行填充）
    int remainder = dataLen % alignSize;
    int paddingSize = (remainder == 0) ? alignSize : (alignSize - remainder);
    return (dataLen + paddingSize);
}

void WJPPadding::PKCS7Padding(const QByteArray &in, QByteArray &out, int alignSize)
{
    // 计算需要填充的字节数（按alignSize字节对齐进行填充）
    int remainder = in.size() % alignSize;
    int paddingSize = (remainder == 0) ? alignSize : (alignSize - remainder);
    char paddingChar = static_cast<char>(paddingSize);// 填充字节数转字符

    // 进行填充
    out.reserve(in.size()); // 预留拷贝空间
    out = in; //拷贝原始数据
    out.append(paddingSize, paddingChar);// 尾部填充上面计算得到的填充字符
}

void WJPPadding::PKCS7UnPadding(QByteArray &in)
{
    // 读取尾部最后一个元素，得到填充字符
    char paddingSize = in.at(in.size() - 1);

    // 填充字符转填充字节数，并在尾部剔除填充字节数所指的字节
    in.chop(static_cast<int>(paddingSize));
}

四、实现加解密接口

描述：以下封装的接口，没有evp前缀的使用Openssl v3.0以前的旧接口实现，有evp前缀的就是使用Openssl的EVP接口实现。

创造一个自己的AES加解密类WJPAES，封装加解密的静态接口：

#ifndef WJPAES_H
#define WJPAES_H

#include <QObject>

#include "openssl/types.h"

class WJPAES
{
public:
    WJPAES();

    /**
     * @brief ECB模式加解密，填充模式采用PKCS7，
     * 对任意长度明文进行加一次解密，根据机器内存情况，尽量不要太长。
     * @param in 输入数据
     * @param out 输出结果
     * @param key 密钥，长度必须是16/24/32字节，否则加密失败
     * @param enc true-加密，false-解密
     * @return 执行结果
     */
    static bool ecb_encrypt(const QByteArray &in, QByteArray &out, const QByteArray &key, const bool &enc);
    static bool evp_ecb_encrypt(const QByteArray &in, QByteArray &out, const QByteArray &key, const bool &enc);

    /**
     * @brief CBC模式加解密，填充模式采用PKCS7，
     * 对任意长度明文进行一次加解密，根据机器内存情况，尽量不要太长。
     * @param in 输入数据
     * @param out 输出结果
     * @param key 密钥，长度必须是16/24/32字节，否则加密失败
     * @param ivec 初始向量，长度必须是16字节
     * @param enc true-加密，false-解密
     * @return 执行结果
     */
    static bool cbc_encrypt(const QByteArray &in, QByteArray &out, const QByteArray &key, const QByteArray &ivec, const bool &enc);
    static bool evp_cbc_encrypt(const QByteArray &in, QByteArray &out, const QByteArray &key, const QByteArray &ivec, const bool &enc);


    /**
     * @brief 通用所有模式加解密，填充模式采用PKCS7，
     * 对任意长度明文进行一次加解密，根据机器内存情况，尽量不要太长。
     * @param in 输入数据
     * @param out 输出结果
     * @param key 密钥，长度必须是16/24/32字节，否则加密失败
     * @param ivec 初始向量，长度必须是16字节，如果是ECB可以传一个空的
     * @param enc true-加密，false-解密
     * @param cipher 加解密模式（ECB-128、ECB-192、ECB-256、CBC-128、CBC-192....）
     * @return 执行结果
     */
    static bool evp_encrypt(const QByteArray &in, QByteArray &out, const QByteArray &key, const QByteArray &ivec, const bool &enc, const EVP_CIPHER *cipher);
};

#endif // WJPAES_H

详细实现见源码：

https://download.csdn.net/download/wu10188/89276012

已测试过接口，开箱即用。

五、测试结果：

1.加密：

// 点击了加密按钮，触发加密流程
void AESTestWidget::on_btnEncrypt_clicked()
{
    //加密字符串
    QByteArray encryptText;
    QByteArray encryptTextBase64;
    QByteArray key(ui->leEncryptKey->text().toUtf8());
    QByteArray ivec(ui->leEncryptIV->text().toUtf8());

    // 加密（将明文加密为二进制数据）
    if(m_mode == "ECB")
    {
        //WJPAES::ecb_encrypt(ui->tePlaintext2Encrypt->toPlainText().toUtf8(), encryptText, key, true);
        WJPAES::evp_ecb_encrypt(ui->tePlaintext2Encrypt->toPlainText().toUtf8(), encryptText, key, true);
    }
    else if(m_mode == "CBC")
    {
        WJPAES::cbc_encrypt(ui->tePlaintext2Encrypt->toPlainText().toUtf8(), encryptText, key, ivec, true);
        //WJPAES::evp_cbc_encrypt(ui->tePlaintext2Encrypt->toPlainText().toUtf8(), encryptText, key, ivec, true);
    }

    // 对加密后的二进制数据进行base64编码
    encryptTextBase64 = encryptText.toBase64();
    ui->teCiphertextBase64->setText(QString::fromUtf8(encryptTextBase64));

    ui->teCiphertextHex->setText(QString::fromUtf8(encryptText.toHex()));

}

CBC加密Demo：

key：H321jDtfnet@1279

初始向量：H321jDtfnet@1279

明文：床前明月光，疑是地上霜。 举头望明月，低头思故乡。-liBai

加密后得到的密文（base64）：UG7NZA2BjdZirj0R8scTpFHbzobdQnmNEQjDoZCi2tallU7wxLJPQ0q4SViZIb3gwt+BxpkOrp3nwZeSWWG95hF6atwh+ZLdjustYDQxA9A=

2.解密：

// 点击了解密按钮，触发解密流程
void AESTestWidget::on_btnDecrypt_clicked()
{
    //解密base64字符串
    QByteArray decryptText;
    QByteArray key(ui->leDecryptKey->text().toUtf8());
    QByteArray ivec(ui->leDecryptIV->text().toUtf8());

    // 解密（先将base64编码的密文转为二进制字节数据再解密）
    if(m_mode == "ECB")
    {
        WJPAES::ecb_encrypt(QByteArray::fromBase64(ui->teCiphertext2Decrypt->toPlainText().toUtf8()),decryptText, key, false);
        //WJPAES::evp_ecb_encrypt(QByteArray::fromBase64(ui->teCiphertext2Decrypt->toPlainText().toUtf8()),decryptText, key, false);
    }
    else if(m_mode == "CBC")
    {
        //WJPAES::cbc_encrypt(QByteArray::fromBase64(ui->teCiphertext2Decrypt->toPlainText().toUtf8()),decryptText, key, ivec, false);
        WJPAES::evp_cbc_encrypt(QByteArray::fromBase64(ui->teCiphertext2Decrypt->toPlainText().toUtf8()),decryptText, key, ivec, false);
    }

    qDebug() << "解密结果：" << decryptText;
    ui->tePlaintextByDecrypt->setText(QString::fromUtf8(decryptText));
}

CBC解密Demo：

key：H321jDtfnet@1279

初始向量：H321jDtfnet@1279

密文（base64）：UG7NZA2BjdZirj0R8scTpFHbzobdQnmNEQjDoZCi2tallU7wxLJPQ0q4SViZIb3gwt+BxpkOrp3nwZeSWWG95hF6atwh+ZLdjustYDQxA9A=

解密后得到的明文：床前明月光，疑是地上霜。 举头望明月，低头思故乡。-liBai

Demo下载地址：

https://download.csdn.net/download/wu10188/89276012

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