[SSL]SSL演算法庫的理解與測試

鄒德強發表於2013-07-15
演算法
SSL演算法庫包含3類演算法，這裡分別說明SSH所用到和我們可能用到的演算法：
對稱加密演算法——DES、AES、RC4；
非對稱加密演算法——RSA、DH；
資訊摘要演算法（單向雜湊演算法）——MD5、SHA；
在SSH中，使用RSA演算法加密SSH v1的金鑰交換過程；使用DH演算法加密SSH v2的金鑰交換過程，通過DH演算法獲得會話金鑰；使用DES演算法加密SSH的會話過程。
 
DES演算法
DES演算法屬於對稱加密演算法，使用塊加密方式，每次加密64bit（8位元組）的資料塊。
對稱加密演算法使用同一金鑰進行加/解密，可分為塊加密和流加密2種方式。其中，塊加密可分為4種模式：
1、ECB（Electronic Code Book，電子密碼本）：在ECB模式中，每塊明文都是獨立於其他塊加密的。雖然這樣做比較高效（可以並行執行多個資料塊的加密），但是易受攻擊，因為對相同明文塊的加密總是產生相同的密文塊。在SSL演算法庫中這是DES基本的加密方式。
2、CBC（Cipher Block Chaining，密碼塊連結）：在CBC模式中，塊是連續加密的，在加密當前明文塊之前，用前一次塊加密的結果修改當前明文塊。這個過程改進了加密的一些特徵（例如，相同的明文塊不會產生相同的密文塊），但是由於其加密過程是連續的，CBC方式不支援加密的並行化。CBC方式使用初始向量（Initialization Vector，IV）來開始連結過程。IV 用於修改被加密的第一個明文塊。在SSL演算法庫中這是DES為SSL提供的加密方式。
3、CFB（Cipher Feedback，密碼反饋）
4、OFB（Output Feedback，輸出反饋）
對於DES演算法的擴充套件，有3DES和DESX兩種演算法。
3DES簡單的說是使用DES演算法進行3重加密，其做法有4種：
1、DES-EEE3：使用3把不同的金鑰，依次進行加密-加密-加密。
2、DES-EDE3：使用3把不同的金鑰，依次進行加密-解密-加密。
3、DES-EEE3：使用2把不同的金鑰，依次進行加密-加密-加密，第3次和第1次使用的金鑰相同。
4、DES-EDE3：使用2把不同的金鑰，依次進行加密-解密-加密，第3次和第1次使用的金鑰相同。
但是3DES做了3次DES加密，所以其效率只有DES的1/3，DESX演算法可以不損失效率，同時提高金鑰長度。
DESX使用3把不同的金鑰，第1把金鑰用來對準備加密的塊做XOR運算，第2把金鑰再對已經作過XOR運算的塊再做一次XOR運算，第3把金鑰用來進行DES加密。這樣，只做了1次DES加密，但是金鑰長度是3把金鑰的總長度。
 
AES演算法
AES演算法是美國新的對稱資料加密演算法，它是作為DES的替代者推出的。相對於DES而言，其特點主要是速度快、保密性高。
AES也採用塊加密方式，AES處理的基本塊是128bits，即16位元組；DES處理的基本塊是64bits，即8位元組。
AES的金鑰長度有3種，128bits、192bits、256bits；DES的金鑰長度為56bits，加上8bits的校驗位，通常看上去是64bits。
但是AES出來的時間不長，把AES當作註冊演算法還沒有得到大量普及，其實際效果還需要時間的檢驗。
 
RC4演算法
RC4演算法通常用於金鑰長度可變的流加密，其特點是演算法簡捷、速度快。不過目前已經發現了RC4比較大的安全漏洞，正在逐步被RC5取代。
 
RSA演算法
RSA演算法大家應該比較熟悉，這裡提下PKCS和OAEP，PKCS padding和OAEP padding是RSA的兩種比較安全的padding方法。
在RSA加密時，是對每個加密塊進行加密，加密塊在格式化時有一個padding的概念。我們簡稱：填充字串為PS，加密塊為EB，加密塊型別為BT，明文資料為D，則EB格式化表示為：EB = 00||BT||PS||00||D。PS必須由k-3-||D||個位元組組成，其中k為模數的長度。
 
DH演算法
DH演算法通常用於雙方協商加密金鑰，同時需要DH協商流程的配合。在SSH中用於金鑰交換的過程。
 
MD5演算法
MD5演算法是常用的資訊摘要演算法（或者說雜湊演算法）之一，其典型應用是對一段資訊產生資訊摘要，防止資訊被篡改。MD5可以把一個任意長度的位元組串變換成一定長的大整數，從而壓縮成一種保密的格式。
MD5的雜湊值長度是128bits。
目前MD5演算法已經被實際破解了——呵呵，那是中國山東的王小云牛人。
 
SHA演算法
SSL演算法庫中的SHA演算法包含了SHA和SHA1，以及SHA256、SHA384、SHA512。
SHA是SHA演算法的早期版本，存在安全問題。
廣泛應用的是SHA1，它也是常用的資訊摘要演算法之一。SHA1的雜湊值長度是160bits，比128bits雜湊值演算法（如MD5）更安全，但是速度也更慢。
目前SHA1也被理論破解了（破解需要的時間長了點，6000年）——呵呵，還是中國山東的王小云牛人。
SHA256、SHA384、SHA512對應的雜湊值長度，顧名思義則是256bits、384bits、512bits。
演算法庫的測試主要就是針對這7種演算法的測試，測試環境是CPU=PPC440，OS=vxworks，Platform=6503
DES測試
測試程式給出16組弱金鑰（目前已知64組），當然不是用來測試，而是排除，以及相應的測試資料。
1、cbcm方式
測試資料：1組，初始向量cbc_iv，三把金鑰cbc_key，cbc2_key，cbc3_key，明文cbc_data
測試過程：把明文和初始向量進行異或，再進行3des加密，再進行3des解密，再和初始向量進行異或，比較輸出和明文。全部一致就成功。
2、ecb方式
測試資料：34組，金鑰資料key_data，明文plain_data，密文cipher_data，一組金鑰資料產生一把金鑰。
測試過程：使用金鑰對明文進行des加密，比較輸出和密文；再把使用同一金鑰進行des解密，比較輸出和明文。全部一致就成功。
3、ede ecb方式
測試資料：34組，金鑰資料key_data，明文plain_data，密文cipher_ecb2，一組金鑰資料產生一把金鑰。
測試過程：使用2把金鑰，對明文進行3des-ede加密，比較輸出和密文；再進行3des-ede解密，比較輸出和明文。全部一致就成功。
4、cbc方式
測試資料：1組，初始向量cbc_iv，一把金鑰cbc_key，明文cbc_data，密文cbc_ok
測試過程：把明文和初始向量進行異或，再進行des加密，比較輸出和密文；再使用同一金鑰進行des解密，再和初始向量進行異或，比較輸出和明文。全部一致就成功。
5、desx cbc方式
測試資料：1組，初始向量cbc_iv，三把金鑰cbc_key，明文cbc_data，密文xcbc_ok
測試過程：把明文和初始向量進行異或，再進行desx加密，比較輸出和密文；再進行desx解密，再和初始向量進行異或，比較輸出和明文。全部一致就成功。
6、ede cbc方式
測試資料：1組，初始向量cbc_iv，三把金鑰cbc_key，明文cbc_data，密文cbc3_ok
測試過程：把明文和初始向量進行異或，再進行3des-ede加密，比較輸出和密文；再進行3des-ede解密，再和初始向量進行異或，比較輸出和明文。全部一致就成功。
7、pcbc方式
基本同cbc方式，只是進行des加密前的運算方式不同。
8、cfb方式
進行了cfb8、cfb16、cfb32、cfb48、cfb64、ede_cfb64的測試。
9、ofb方式
進行了ofb、ofb64、ede_ofb64的測試。
測試結果：
1、正確性測試：全部通過。
2、速度測試：結果比較穩定，資料如下
2.1、金鑰安裝：每秒進行298千次，每次耗時3.35us。
2.2、DES-ECB流加密，針對DES基本塊：每秒進行353千次，每次耗時2.83us，加密速度2.83M位元組/秒。
2.3、DES-CBC塊加密，針對1024位元組塊：每秒進行2.5千次，每次耗時400us，加密速度2.56M位元組/秒。
2.4、DES-EDE-CBC塊加密，針對1024位元組塊：每秒進行0.89千次，每次耗時1120us，加密速度0.91M位元組/秒。
 
AES測試
測試資料：
來自http://csrc.nist.gov/，一個龐大的測試向量包，其中包含了4種通用塊加密模式（ECB、CBC、CFB、OFB），AES的6種測試模式（GFSbox、KeySbox、MCT、MMT、VarKey、VarTxt），以及3種金鑰長度（128、192、256bits）的測試向量檔案，共4*6*3=72個檔案，每個檔案含10-100組不等的測試向量。測試主要針對ECB和CBC這2種模式。
測試過程：
1、根據金鑰資料，構造加密金鑰。
2、對明文進行加密，獲得密文，比較密文和已知密文。
3、根據金鑰資料，構造解密金鑰。
4、對密文進行解密，獲得明文，比較明文和已知明文。
5、如果採用了CBC模式，則需要初始向量iv，在加密前使用iv和加密資料作指定運算。
測試注意事項：
1、如果採用了ECB-MMT模式，測試向量給出的明文和密文將超過基本塊長度128bits。由於ECB模式下是對固定塊加密，而且各塊加密是獨立的，所以加密時需要將明文分割成固定的128bits塊，依次送入加密後，比較時也是按照順序依次比較128bits密文塊資料；反之亦然。如果在CBC模式下，則需要給出加密資料長度。
2、如果採用CBC模式，加密函式會改變送入的初始向量iv。如果不注意這點，解密時送入改變後的iv，則解密會失敗。所以需要自己事先儲存iv副本，加/解密時送入相同的iv。
測試結果：
1、正確性測試：其中關於MCT的測試向量都失敗了，其餘的全部通過。
2、速度測試：結果比較穩定，資料如下
對於128位金鑰而言
2.1、加密金鑰安裝：每秒進行368千次，每次耗時2.71us。
2.2、解密金鑰安裝：每秒進行98千次，每次耗時10.18us。
2.3、AES-ECB塊加密，針對AES基本塊：每秒進行228千次，每次耗時4.38us，加密速度3.66M位元組/秒。
2.4、AES-CBC塊加密，針對AES基本塊：每秒進行182千次，每次耗時5.50us，加密速度2.91M位元組/秒。

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