通過Go實現AES加密和解密工具

iqsing發表於2022-05-12
Go加密解密

本文包含如下兩個內容：

  • AES加密介紹及實現原理
  • Go實現AES加密和解密工具

AES加密介紹及實現原理

AES( advanced encryption standard)使用相同金鑰進行加密和解密，也就是對稱加密。其他的對稱加密如DES，由於DES金鑰長度只有56位如今的算力甚至可以在5分鐘內破解，而AES最高階別達到了256位金鑰長度，如果採用窮舉法，目前來看AES是一種”無法“被破解的加密存在。

AES

關於非對稱加密我們在之前有一篇文章《理解https中的安全及其實現原理》進行了介紹，有興趣的可翻看檢視。

AES用在哪裡？

如果你正在瀏覽本文，那麼你就在使用AES（https協議中一部分使用了對稱加密）。

  • 綠色上網：通過加密安全地連線到另一臺搬石頭砸腳的伺服器。
  • 無線網路WIFI：和WAP2一起使用。
  • 應用程式：wechat、JD、Alipay等使用 AES 加密照片和訊息或支付資訊。
  • 存檔和壓縮工具：7z、WinZip 和 RAR。
  • 作業系統元件：一些作業系統元件（如檔案系統）使用高階加密標準來確保安全性。
  • 程式語言庫： Go、Python 和 C++ 等編碼庫實現了的AES加密（等會使用到）。
AES加密是如何實現的？

參考：

what-is-the-aes-algorithm?

What is AES encryption and how does it work?

Block cipher mode of operation

從巨集觀上來看AES加密過程中的一輪（根據不同的金鑰長度，輪數不一樣，下面會說到）如下：

aes_all

1.資料分塊

首先把明文按照128bit拆分成若干個明文塊（圖上黃色塊），一個位元組包含 8 位，佈局為 4×4矩陣（上圖黃色部分），對最後一塊填充至128bit，填充方式有PKCS7Padding（採用）/PKCS5Padding/ZeroPadding，無論咋填充最後解密時都要去除這些多餘的填充。

2.金鑰擴充套件

AES通過Rijndael's key schedule 將金鑰被擴充套件為 (n+1) 個金鑰，其中 n 是加密過程中要遵循的輪數。AES每個標準規定了所要加密的輪數，對於128位金鑰，輪數是 10，要生成的金鑰個數為 10+1，總共 11 個金鑰。

標準 金鑰長度 輪數 分組長度
AES-128 128位(16位元組） 10 128位（16位元組）
AES-192 192位(24位元組） 12 128位（16位元組）
AES-256 256位(32位元組） 14 128位（16位元組）

每一輪所要做的包括：位元組替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）、加輪金鑰（AddRoundKey）

過程

3.位元組替代（SubBytes）

每輪開始，首先進行SubBytes，位元組根據預定義的 Rijndael S-box（可以簡單認為是一個轉換表）規定的規則進行替換。對a[i,j]中的每個位元組進行一次轉換後得到b[i,j]

widget

4.行移位（ShiftRows）

對上一步得到矩陣進行ShiftRows，第一行不變，第二行移動1位，第三行2位，第四行3位。

小部件

5.列混淆（MixColumns）

再對矩陣的每一列和修補矩陣fixed matrix的二維常量陣列做矩陣相乘，得到對應的輸出列。

小部件

6.加輪金鑰（AddRoundKey）

先將擴充套件金鑰Kn排列成4×4矩陣，然後讓輸入陣列的每一個位元組a[i,j]與金鑰對應位置的位元組k[i,j]異或一次，得到輸出b[i,j]。最後一輪不參與AddRoundKey

小部件

經過如上的10輪操作之後，得到了一個明文塊的加密字元。解密則進行反向加密。

AES加密模式
ECB

在上面加密過程中每一個明文塊都是獨立進行加密的，簡單且高效，但是如果一個段資料存在相關的明文塊，則加密後的密文也會相同，對安全性也有一定影響。

image-20220511221615231

CBC

CBC加密模式如下圖所示，初始向量IV和明文異或，每個塊的密文作為後續塊的“向量”，讓每一個密文獨一無二。我們待會採用這種模式。

image-20220511222418474.png

Go實現AES加密工具scode

ok，上面大致瞭解AES加密是如何工作起來的，接下來通過Go中的crypto/aes和crypto/cipher包實現的AES加密解密工具。

PKCS7Padding將待補足位元組數作為填充的位元組

// pkcs7Padding 填充
func pkcs7Padding(data []byte, blockSize int) []byte {
    //判斷缺少幾位長度。最少1，最多 blockSize
    padding := blockSize - len(data)%blockSize
    //補足位數。把切片[]byte{byte(padding)}複製padding個
    padText := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
    return append(data, padText...)
}

// pkcs7UnPadding 移除
func pkcs7UnPadding(data []byte) ([]byte, error) {
    length := len(data)
    if length == 0 {
        return nil, errors.New("加密字串錯誤！")
    }
    //獲取填充的個數
    unPadding := int(data[length-1])
    return data[:(length - unPadding)], nil
}

使用 cipher的CBC模式對block加密和解密

// AesEncrypt 加密
func AesEncrypt(data []byte, key []byte) ([]byte, error) {    
    // NewCipher creates and returns a new cipher.Block. The key argument should be the AES key, either 16, 24, or 32 bytes to select AES-128, AES-192, or AES-256.
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    //判斷加密快的大小
    blockSize := block.BlockSize()
    //填充
    encryptBytes := pkcs7Padding(data, blockSize)
    //初始化加密資料接收切片
    crypted := make([]byte, len(encryptBytes))
    //使用cbc加密模式
    blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, key[:blockSize])
    //執行加密
    blockMode.CryptBlocks(crypted, encryptBytes)
    return crypted, nil
}

// AesDecrypt 解密
func AesDecrypt(data []byte, key []byte) ([]byte, error) {
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    //獲取塊的大小
    blockSize := block.BlockSize()
    //使用cbc
    blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, key[:blockSize])
    //初始化解密資料接收切片
    crypted := make([]byte, len(data))
    //執行解密
    blockMode.CryptBlocks(crypted, data)
    //去填充
    crypted, err = pkcs7UnPadding(crypted)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    return crypted, nil
}

迴圈從檔案中讀取100mb源資料用於加密後將密文寫入檔案，解密則讀取密文解密後將源資料寫入檔案。

func EncryptFile(fileName string) (err error) {
    f, err := os.Open(fileName)
    if err != nil {
        fmt.Println("未找到檔案")
        return
    }
    defer f.Close()

    fInfo, _ := f.Stat()
    fLen := fInfo.Size()
    fmt.Println("待處理檔案大小:", fLen)
    maxLen := 1024 * 1024 * 100 //100mb  每 100mb 進行加密一次
    var forNum int64 = 0
    getLen := fLen

    if fLen > int64(maxLen) {
        getLen = int64(maxLen)
        forNum = fLen / int64(maxLen)
        fmt.Println("需要加密次數：", forNum+1)
    }
    // encryptd to file
    ff, err := os.OpenFile("en_"+fileName, os.O_RDWR|os.O_CREATE, 0666)
    if err != nil {
        fmt.Println("檔案寫入錯誤")
        return err
    }
    defer ff.Close()
    //迴圈加密，並寫入檔案
    for i := 0; i < int(forNum+1); i++ {
        a := make([]byte, getLen)
        n, err := f.Read(a)
        if err != nil {
            fmt.Println("檔案讀取錯誤")
            return err
        }
        getByte, err := EncryptByAes(a[:n])
        if err != nil {
            fmt.Println("加密錯誤")
            return err
        }
        getBytes := append([]byte(getByte), []byte("\n")...)
        //寫入
        buf := bufio.NewWriter(ff)
        buf.WriteString(string(getBytes[:]))
        buf.Flush()
    }
    ffInfo, _ := ff.Stat()
    fmt.Printf("加密後檔案為：%s，檔案大小為：%v Byte \n", ffInfo.Name(), ffInfo.Size())
    return nil
}

參考：Golang AES 加密 解密

通過cobra新增命令後，建立命令的匿名函式

func(cmd *cobra.Command, args []string) {
    copy(PwdKey, readPass())
    Pwd := []byte("csgo!gogo")
    if ByteSliceEqual(PwdKey, Pwd) {
        //16位元組key
        PwdKey = append(PwdKey, 7, 3, 5, 5, 6, 0, 8)
        if err := DecryptFile(args[0]); err != nil {
            panic(err)
        }
    } else {
        fmt.Println("密碼錯誤")
        os.Exit(1)
    }
}

使用方式看起來如下：

scode工具包含2個命令encode和decode，解密檔案需要密碼。

# ./scode  encode xpower.tar.gz
待處理檔案大小: 3397
加密後檔案為：en_xpower.tar.gz，檔案大小為：4545 Byte

# ./scode  decode en_xpower.tar.gz
ENTER PASSWORD: 
密碼錯誤

# ./scode  decode en_xpower.tar.gz
ENTER PASSWORD: 
待處理檔案大小: 4545
解密後檔案為：de_en_xpower.tar.gz，檔案大小為：3159 Byte

完整程式碼：source

通過部落格檢視：iqsing.github.io

通過改進此工具建立一個自己隱私檔案加密和解密器。

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