Go加密演算法總結

youmen發表於2020-12-19
Go加密演算法

前言

加密解密在實際開發中應用比較廣泛，常用加解密分為：“對稱式”、“非對稱式”和”數字簽名“。

對稱式：對稱加密(也叫私鑰加密)指加密和解密使用相同金鑰的加密演算法。具體演算法主要有DES演算法，3DES演算法，TDEA演算法，Blowfish演算法，RC5演算法，IDEA演算法。

非對稱加密(公鑰加密)：指加密和解密使用不同金鑰的加密演算法，也稱為公私鑰加密。具體演算法主要有RSA、Elgamal、揹包演算法、Rabin、D-H、ECC（橢圓曲線加密演算法）。

數字簽名：數字簽名是非對稱金鑰加密技術與數字摘要技術的應用。主要演算法有md5、hmac、sha1等。

以下介紹golang語言主要的加密解密演算法實現。

md5

MD5資訊摘要演算法是一種被廣泛使用的密碼雜湊函式，可以產生出一個128位（16進位制，32個字元）的雜湊值（hash value），用於確保資訊傳輸完整一致。

func GetMd5String(s string) string {
    h := md5.New()
    h.Write([]byte(s))
    return hex.EncodeToString(h.Sum(nil))
}

hmac

HMAC是金鑰相關的雜湊運算訊息認證碼（Hash-based Message Authentication Code）的縮寫，

它通過一個標準演算法，在計算雜湊的過程中，把key混入計算過程中。

和我們自定義的加salt演算法不同，Hmac演算法針對所有雜湊演算法都通用，無論是MD5還是SHA-1。採用Hmac替代我們自己的salt演算法，可以使程式演算法更標準化，也更安全。

//key隨意設定 data 要加密資料
func Hmac(key, data string) string {
    hash:= hmac.New(md5.New, []byte(key)) // 建立對應的md5雜湊加密演算法
    hash.Write([]byte(data))
    return hex.EncodeToString(hash.Sum([]byte("")))
}
func HmacSha256(key, data string) string {
    hash:= hmac.New(sha256.New, []byte(key)) //建立對應的sha256雜湊加密演算法
    hash.Write([]byte(data))
    return hex.EncodeToString(hash.Sum([]byte("")))
}

sha1

SHA-1可以生成一個被稱為訊息摘要的160位（20位元組）雜湊值，雜湊值通常的呈現形式為40個十六進位制數。

func Sha1(data string) string {
    sha1 := sha1.New()
    sha1.Write([]byte(data))
    return hex.EncodeToString(sha1.Sum([]byte("")))
}
Crypto加密
package main

import (
	"fmt"
	"golang.org/x/crypto/bcrypt"
)

func main()  {
	password := "test"
	hash,err := bcrypt.GenerateFromPassword([]byte(password),0)
	fmt.Println(string(hash),err)

	// 密碼如果校驗成功會返回Nil
	fmt.Println(bcrypt.CompareHashAndPassword(hash,[]byte("youmen18")))
}

AES

密碼學中的高階加密標準（Advanced Encryption Standard，AES），又稱Rijndael加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。這個標準用來替代原先的DES（Data Encryption Standard），已經被多方分析且廣為全世界所使用。AES中常見的有三種解決方案，分別為AES-128、AES-192和AES-256。如果採用真正的128位加密技術甚至256位加密技術，蠻力攻擊要取得成功需要耗費相當長的時間。

AES有五種加密模式

/*
	電碼本模式（Electronic Codebook Book (ECB)）、
  密碼分組連結模式（Cipher Block Chaining (CBC)）、
  計算器模式（Counter (CTR)）、
  密碼反饋模式（Cipher FeedBack (CFB)）
  輸出反饋模式（Output FeedBack (OFB)）
*/
ECB模式

出於安全考慮，golang預設並不支援ECB模式。

package main

import (
    "crypto/aes"
    "fmt"
)

func AESEncrypt(src []byte, key []byte) (encrypted []byte) {
    cipher, _ := aes.NewCipher(generateKey(key))
    length := (len(src) + aes.BlockSize) / aes.BlockSize
    plain := make([]byte, length*aes.BlockSize)
    copy(plain, src)
    pad := byte(len(plain) - len(src))
    for i := len(src); i < len(plain); i++ {
        plain[i] = pad
    }
    encrypted = make([]byte, len(plain))
    // 分組分塊加密
    for bs, be := 0, cipher.BlockSize(); bs <= len(src); bs, be = bs+cipher.BlockSize(), be+cipher.BlockSize() {
        cipher.Encrypt(encrypted[bs:be], plain[bs:be])
    }

    return encrypted
}

func AESDecrypt(encrypted []byte, key []byte) (decrypted []byte) {
    cipher, _ := aes.NewCipher(generateKey(key))
    decrypted = make([]byte, len(encrypted))
    //
    for bs, be := 0, cipher.BlockSize(); bs < len(encrypted); bs, be = bs+cipher.BlockSize(), be+cipher.BlockSize() {
        cipher.Decrypt(decrypted[bs:be], encrypted[bs:be])
    }

    trim := 0
    if len(decrypted) > 0 {
        trim = len(decrypted) - int(decrypted[len(decrypted)-1])
    }

    return decrypted[:trim]
}

func generateKey(key []byte) (genKey []byte) {
    genKey = make([]byte, 16)
    copy(genKey, key)
    for i := 16; i < len(key); {
        for j := 0; j < 16 && i < len(key); j, i = j+1, i+1 {
            genKey[j] ^= key[i]
        }
    }
    return genKey
}
func main()  {

    source:="hello world"
    fmt.Println("原字元：",source)
    //16byte金鑰
    key:="1443flfsaWfdas"
    encryptCode:=AESEncrypt([]byte(source),[]byte(key))
    fmt.Println("密文：",string(encryptCode))

    decryptCode:=AESDecrypt(encryptCode,[]byte(key))

    fmt.Println("解密：",string(decryptCode))
}
CBC模式
package main
import(
    "bytes"
    "crypto/aes"
    "fmt"
    "crypto/cipher"
    "encoding/base64"
)
func main() {
    orig := "hello world"
    key := "0123456789012345"
    fmt.Println("原文：", orig)
    encryptCode := AesEncrypt(orig, key)
    fmt.Println("密文：" , encryptCode)
    decryptCode := AesDecrypt(encryptCode, key)
    fmt.Println("解密結果：", decryptCode)
}
func AesEncrypt(orig string, key string) string {
    // 轉成位元組陣列
    origData := []byte(orig)
    k := []byte(key)
    // 分組祕鑰
    // NewCipher該函式限制了輸入k的長度必須為16, 24或者32
    block, _ := aes.NewCipher(k)
    // 獲取祕鑰塊的長度
    blockSize := block.BlockSize()
    // 補全碼
    origData = PKCS7Padding(origData, blockSize)
    // 加密模式
    blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, k[:blockSize])
    // 建立陣列
    cryted := make([]byte, len(origData))
    // 加密
    blockMode.CryptBlocks(cryted, origData)
    return base64.StdEncoding.EncodeToString(cryted)
}
func AesDecrypt(cryted string, key string) string {
    // 轉成位元組陣列
    crytedByte, _ := base64.StdEncoding.DecodeString(cryted)
    k := []byte(key)
    // 分組祕鑰
    block, _ := aes.NewCipher(k)
    // 獲取祕鑰塊的長度
    blockSize := block.BlockSize()
    // 加密模式
    blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, k[:blockSize])
    // 建立陣列
    orig := make([]byte, len(crytedByte))
    // 解密
    blockMode.CryptBlocks(orig, crytedByte)
    // 去補全碼
    orig = PKCS7UnPadding(orig)
    return string(orig)
}
//補碼
//AES加密資料塊分組長度必須為128bit(byte[16])，金鑰長度可以是128bit(byte[16])、192bit(byte[24])、256bit(byte[32])中的任意一個。
func PKCS7Padding(ciphertext []byte, blocksize int) []byte {
    padding := blocksize - len(ciphertext)%blocksize
    padtext := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
    return append(ciphertext, padtext...)
}
//去碼
func PKCS7UnPadding(origData []byte) []byte {
    length := len(origData)
    unpadding := int(origData[length-1])
    return origData[:(length - unpadding)]
}
CRT模式
package main

import (
    "bytes"
    "crypto/aes"
    "crypto/cipher"
    "fmt"
)
//加密
func aesCtrCrypt(plainText []byte, key []byte) ([]byte, error) {

    //1. 建立cipher.Block介面
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    //2. 建立分組模式，在crypto/cipher包中
    iv := bytes.Repeat([]byte("1"), block.BlockSize())
    stream := cipher.NewCTR(block, iv)
    //3. 加密
    dst := make([]byte, len(plainText))
    stream.XORKeyStream(dst, plainText)

    return dst, nil
}


func main() {
    source:="hello world"
    fmt.Println("原字元：",source)

    key:="1443flfsaWfdasds"
    encryptCode,_:=aesCtrCrypt([]byte(source),[]byte(key))
    fmt.Println("密文：",string(encryptCode))

    decryptCode,_:=aesCtrCrypt(encryptCode,[]byte(key))

    fmt.Println("解密：",string(decryptCode))
}
CFB模式
package main

import (
    "crypto/aes"
    "crypto/cipher"
    "crypto/rand"
    "encoding/hex"
    "fmt"
    "io"
)
func AesEncryptCFB(origData []byte, key []byte) (encrypted []byte) {
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil {
        //panic(err)
    }
    encrypted = make([]byte, aes.BlockSize+len(origData))
    iv := encrypted[:aes.BlockSize]
    if _, err := io.ReadFull(rand.Reader, iv); err != nil {
        //panic(err)
    }
    stream := cipher.NewCFBEncrypter(block, iv)
    stream.XORKeyStream(encrypted[aes.BlockSize:], origData)
    return encrypted
}
func AesDecryptCFB(encrypted []byte, key []byte) (decrypted []byte) {
    block, _ := aes.NewCipher(key)
    if len(encrypted) < aes.BlockSize {
        panic("ciphertext too short")
    }
    iv := encrypted[:aes.BlockSize]
    encrypted = encrypted[aes.BlockSize:]

    stream := cipher.NewCFBDecrypter(block, iv)
    stream.XORKeyStream(encrypted, encrypted)
    return encrypted
}
func main() {
    source:="hello world"
    fmt.Println("原字元：",source)
    key:="ABCDEFGHIJKLMNO1"//16位
    encryptCode:=AesEncryptCFB([]byte(source),[]byte(key))
    fmt.Println("密文：",hex.EncodeToString(encryptCode))
    decryptCode:=AesDecryptCFB(encryptCode,[]byte(key))

    fmt.Println("解密：",string(decryptCode))
}
OFB模式
package main

import (
    "bytes"
    "crypto/aes"
    "crypto/cipher"
    "crypto/rand"
    "encoding/hex"
    "fmt"
    "io"
)
func aesEncryptOFB( data[]byte,key []byte) ([]byte, error) {
    data = PKCS7Padding(data, aes.BlockSize)
    block, _ := aes.NewCipher([]byte(key))
    out := make([]byte, aes.BlockSize + len(data))
    iv := out[:aes.BlockSize]
    if _, err := io.ReadFull(rand.Reader, iv); err != nil {
        return nil, err
    }

    stream := cipher.NewOFB(block, iv)
    stream.XORKeyStream(out[aes.BlockSize:], data)
    return out, nil
}

func aesDecryptOFB( data[]byte,key []byte) ([]byte, error) {
    block, _ := aes.NewCipher([]byte(key))
    iv  := data[:aes.BlockSize]
    data = data[aes.BlockSize:]
    if len(data) % aes.BlockSize != 0 {
        return nil, fmt.Errorf("data is not a multiple of the block size")
    }

    out := make([]byte, len(data))
    mode := cipher.NewOFB(block, iv)
    mode.XORKeyStream(out, data)

    out= PKCS7UnPadding(out)
    return out, nil
}
//補碼
//AES加密資料塊分組長度必須為128bit(byte[16])，金鑰長度可以是128bit(byte[16])、192bit(byte[24])、256bit(byte[32])中的任意一個。
func PKCS7Padding(ciphertext []byte, blocksize int) []byte {
    padding := blocksize - len(ciphertext)%blocksize
    padtext := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
    return append(ciphertext, padtext...)
}
//去碼
func PKCS7UnPadding(origData []byte) []byte {
    length := len(origData)
    unpadding := int(origData[length-1])
    return origData[:(length - unpadding)]
}
func main() {
    source:="hello world"
    fmt.Println("原字元：",source)
    key:="1111111111111111"//16位  32位均可
    encryptCode,_:=aesEncryptOFB([]byte(source),[]byte(key))
    fmt.Println("密文：",hex.EncodeToString(encryptCode))
    decryptCode,_:=aesDecryptOFB(encryptCode,[]byte(key))

    fmt.Println("解密：",string(decryptCode))
}
RSA加密簡介
rsa加密演算法簡史

RSA是1977年由羅納德·李維斯特（Ron Rivest）、阿迪·薩莫爾（Adi Shamir）和倫納德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。當時他們三人都在麻省理工學院工作。RSA就是他們三人姓氏開頭字母拼在一起組成的。

rsa加密演算法實現原理

學過演算法的朋友都知道，計算機中的演算法其實就是數學運算。所以，再講解RSA加密演算法之前，有必要了解一下一些必備的數學知識。我們就從數學知識開始講解。

必備數學知識

RSA加密演算法中，只用到素數、互質數、指數運算、模運算等幾個簡單的數學知識。所以，我們也需要了解這幾個概念即可

素數

素數又稱質數，指在一個大於1的自然數中，除了1和此整數自身外，不能被其他自然數整除的數。這個概念，我們在上初中，甚至小學的時候都學過了，這裡就不再過多解釋了。

互質數

百度百科上的解釋是：公因數只有1的兩個數，叫做互質數。；維基百科上的解釋是：互質，又稱互素。若N個整數的最大公因子是1，則稱這N個整數互質。

常見的互質數判斷方法主要有以下幾種：

/*
	1、兩個不同的質數一定是互質數。例如，2與7、13與19。
  2、一個質數，另一個不為它的倍數，這兩個數為互質數。例如，3與10、5與 26。
  3、相鄰的兩個自然數是互質數。如 15與 16。
              4、相鄰的兩個奇數是互質數。如 49與 51。
  5、較大數是質數的兩個數是互質數。如97與88。
  6、小數是質數，大數不是小數的倍數的兩個數是互質數。例如 7和 16。
  7、2和任何奇數是互質數。例如2和87。
  8、1不是質數也不是合數，它和任何一個自然數在一起都是互質數。如1和9908。
  9、輾轉相除法。
*/
指數運算
/*
	　指數運算又稱乘方計算，計算結果稱為冪。nm指將n自乘m次。把nm看作乘方的結果，叫做”n的m次冪”或”n的m次方”。其中，n稱為“底數”，m稱為“指數”。
*/
模運算
/*
	 模運算即求餘運算。“模”是“Mod”的音譯。和模運算緊密相關的一個概念是“同餘”。數學上，當兩個整數除以同一個正整數，若得相同餘數，則二整數同餘。

　　兩個整數a，b，若它們除以正整數m所得的餘數相等，則稱a，b對於模m同餘，記作: a ≡ b (mod m)；讀作：a同餘於b模m，或者，a與b關於模m同餘。例如：26 ≡ 14 (mod 12)。
*/

RSA加密演算法

公鑰和金鑰的產生

假設Alice想要通過一個不可靠的媒體接收Bob的一條私人訊息。她可以用以下的方式來產生一個公鑰和一個私鑰：

/*
	 1、隨意選擇兩個大的質數p和q，p不等於q，計算N=pq。
   2、根據尤拉函式，求得r = (p-1)(q-1)
   3、選擇一個小於 r 的整數 e，求得 e 關於模 r 的模反元素，命名為d。（模反元素存在，當且僅當e與r互質）
   4、將 p 和 q 的記錄銷燬。
       (N,e)是公鑰，(N,d)是私鑰。Alice將她的公鑰(N,e)傳給Bob，而將她的私鑰(N,d)藏起來。
*/
加密訊息

假設Bob想給Alice送一個訊息m，他知道Alice產生的N和e。他使用起先與Alice約好的格式將m轉換為一個小於N的整數n，比如他可以將每一個字轉換為這個字的Unicode碼，然後將這些數字連在一起組成一個數字。假如他的資訊非常長的話，他可以將這個資訊分為幾段，然後將每一段轉換為n。用下面這個公式他可以將n加密為c：

　　ne ≡ c (mod N)

計算c並不複雜。Bob算出c後就可以將它傳遞給Alice。

解密訊息

Alice得到Bob的訊息c後就可以利用她的金鑰d來解碼。她可以用以下這個公式來將c轉換為n：

　　cd ≡ n (mod N)

得到n後，她可以將原來的資訊m重新復原。

解碼的原理是

　　cd ≡ n e·d(mod N)

以及ed ≡ 1 (mod p-1)和ed ≡ 1 (mod q-1)。由費馬小定理可證明（因為p和q是質數）

　　n e·d ≡ n (mod p) 　和 　n e·d ≡ n (mod q)

這說明（因為p和q是不同的質數，所以p和q互質）

　　n e·d ≡ n (mod pq)

簽名訊息

RSA也可以用來為一個訊息署名。假如甲想給乙傳遞一個署名的訊息的話，那麼她可以為她的訊息計算一個雜湊值(Message digest)，然後用她的金鑰(private key)加密這個雜湊值並將這個“署名”加在訊息的後面。這個訊息只有用她的公鑰才能被解密。乙獲得這個訊息後可以用甲的公鑰解密這個雜湊值，然後將這個資料與他自己為這個訊息計算的雜湊值相比較。假如兩者相符的話，那麼他就可以知道發信人持有甲的金鑰，以及這個訊息在傳播路徑上沒有被篡改過。

Golang加密解密之RSA

概要

這是一個非對稱加密演算法，一般通過公鑰加密，私鑰解密。

在加解密過程中，使用openssl生產金鑰。執行如下操作：

建立私鑰
openssl genrsa -out private.pem 1024 
//金鑰長度，1024覺得不夠安全的話可以用2048，但是代價也相應增大
建立公鑰
openssl rsa -in private.pem -pubout -out public.pem
// 這樣便生產了金鑰。

一般地，各個語言也會提供API，用於生成金鑰。在Go中，可以檢視encoding/pem包和crypto/x509包。

加密解密這塊，涉及到很多標準

Go RSA加密
  1. rsa加解密, 必須會去查crypto/ras這個包
Package rsa implements RSA encryption as specified in PKCS#1.

這是該包的說明：實現RSA加密技術，基於PKCS#1規範。

對於什麼是PKCS#1，可以查閱相關資料。PKCS（公鑰密碼標準），而#1就是RSA的標準。可以檢視：PKCS系列簡介

從該包中函式的名稱，可以看到有兩對加解密的函式。

EncryptOAEP和DecryptOAEP
EncryptPKCS1v15和DecryptPKCS1v15

這稱作加密方案，詳細可以檢視，PKCS #1 v2.1 RSA 演算法標準

可見，當與其他語言互動時，需要確定好使用哪種方案。

PublicKey和PrivateKey兩個型別分別代表公鑰和私鑰，關於這兩個型別中成員該怎麼設定，這涉及到RSA加密演算法，本文中，這兩個型別的例項通過解析文章開頭生成的金鑰得到。

2 . 解析金鑰得到PublicKey和PrivateKey的例項

這個過程，我也是花了好些時間（主要對各種加密的各種東東不熟）：怎麼將openssl生成的金鑰檔案解析到公鑰和私鑰例項呢？

在encoding/pem包中，看到了—–BEGIN Type—–這樣的字樣，這正好和openssl生成的金鑰形式差不多，那就試試。

在該包中，一個block代表的是PEM編碼的結構，關於PEM，請查閱相關資料。我們要解析金鑰，當然用Decode方法：

/*
	func Decode(data []byte) (p *Block, rest []byte)
*/

這樣便得到了一個Block的例項（指標）。

解析來看crypto/x509。為什麼是x509呢？這又涉及到一堆概念。先不管這些，我也是看encoding和crypto這兩個包的子包摸索出來的。

在x509包中,有一個函式:

func ParsePKIXPublicKey(derBytes []byte) (pub interface{}, err error)

從該函式的說明：ParsePKIXPublicKey parses a DER encoded public key. These values are typically found in PEM blocks with “BEGIN PUBLIC KEY”。可見這就是解析PublicKey的。另外，這裡說到了PEM，可以上面的encoding/pem對了。

而解析私鑰的，有好幾個方法，從上面的介紹，我們知道，RSA是PKCS#1，剛好有一個方法：

func ParsePKCS1PrivateKey(der []byte) (key *rsa.PrivateKey, err error)

返回的就是rsa.PrivateKey

加密解密實現

加密

func RsaEncrypt(origData []byte) ([]byte, error) {
  block, _ := pem.Decode(publicKey)
  if block == nil {
    return nil, errors.New("public key error")
  }
  pubInterface, err := x509.ParsePKIXPublicKey(block.Bytes)
  if err != nil {
    return nil, err
  }
  pub := pubInterface.(*rsa.PublicKey)
  return rsa.EncryptPKCS1v15(rand.Reader, pub, origData)
}

解密

func RsaDecrypt(ciphertext []byte) ([]byte, error) {
  block, _ := pem.Decode(privateKey)
  if block == nil {
    return nil, errors.New("private key error!")
  }
  priv, err := x509.ParsePKCS1PrivateKey(block.Bytes)
  if err != nil {
    return nil, err
  }
  return rsa.DecryptPKCS1v15(rand.Reader, priv, ciphertext)
}

使用例子

package main
 
import (
  "fmt"
)

func main() {
  data, err := RsaEncrypt([]byte("test"))
  if err != nil {
    panic(err)
  }
  origData, err := RsaDecrypt(data)
  if err != nil {
    panic(err)
  }
  fmt.Println(string(origData))
}

// 此例子是加密完test後立馬解密

參考:

https://segmentfault.com/a/1190000024557845

https://www.jb51.net/article/89884.htm

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