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R语言进行AES对称加密

R的极客理想系列文章,涵盖了R的思想,使用,工具,创新等的一系列要点,以我个人的学习和体验去诠释R的强大。

R语言作为统计学一门语言,一直在小众领域闪耀着光芒。直到大数据的爆发,R语言变成了一门炙手可热的数据分析的利器。随着越来越多的工程背景的人的加入,R语言的社区在迅速扩大成长。现在已不仅仅是统计领域,教育,银行,电商,互联网….都在使用R语言。

要成为有理想的极客,我们不能停留在语法上,要掌握牢固的数学,概率,统计知识,同时还要有创新精神,把R语言发挥到各个领域。让我们一起动起来吧,开始R的极客理想。

关于作者:

  • 张丹,分析师/程序员/Quant: R,Java,Nodejs
  • blog: http://blog.fens.me
  • email: bsspirit@gmail.com

转载请注明出处:
http://blog.fens.me/r-crypto-aes/

前言

本文是介绍openssl包使用的第二篇文章,主要介绍AES算法的使用,还搭配了digest包做对比。虽然R语言不是专门做密码研究的工具,但实现个算法还是很方便的。作为数据分析师又学到了一些冷门知识,说不定哪天就会有用呢。openssl的文章分别是,R语言进行非对称加密RSAR语言进行AES对称加密R语言配合openssl生成管理应用x509证书用R语言实现RSA+AES混合加密

加密算法涉及到密码学的很多深入的知识,我并没有深入研究,本文只针对于openssl的使用,如果有任何与专业教材不符合的描述,请以专业教材为准。

目录

  1. AES算法介绍
  2. 用digest包进行AES加密解密
  3. 用openssl包进行AES加密解密

1. AES算法介绍

AES高级加密标准(Advanced Encryption Standard)为最常见的对称加密算法,是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES(Data Encryption Standard)。

AES的区块长度固定为128位,密钥长度则可以是128 bit,192 bit 或256位 bit 。换算成字节长度,就是密码必须是 16个字节,24个字节,32个字节。AES密码的长度更长,破解难度就增大了,所以就更安全。

AES 是对称加密算法,优点:加密速度快;缺点:如果秘钥丢失,就容易解密密文,安全性相对比较差。RSA 是非对称加密算法 , 优点:安全 ;缺点:加密速度慢。RSA算法介绍,请参见文章用openssl生成RSA私钥和公钥

AES算法的使用场景,发送方将要发送的明文数据X使用秘钥K进行AES加密后会得到密文Y,将密文进行网络传输,接受方在收到密文Y后使用秘钥K进行AES解密后技能得到明文X,这样即使密文Y在网络上传输时被截获了,没有秘钥也难以破解其真实意思。

AES的加密模式有以下几种

  • 电码本模式(Electronic codebook,ECB):需要加密的消息按照块密码的块大小被分为数个块,并对每个块进行独立加密。
  • 密码分组链接模式(CBC):将整段明文切成若干小段,然后每一小段与初始块或者上一段的密文段进行异或运算后,再与密钥进行加密。
  • 计算器模式(CTR):每个分组对应一个逐次累加的计数器,并通过对计数器进行加密来生成密钥流。
  • 密码反馈模式(CFB):前一个密文分组会被送入密码算法的输入端,再将输出的结果与明文做异或。与ECB和CBC模式只能够加密块数据不同,CFB能够将块密文(Block Cipher)转换为流密文。
  • 输出反馈模式(OFB):前一组密码算法输出会输入到下一组密码算法输入。先用块加密器生成密钥流,然后再将密钥流与明文流异或得到密文流,解密是先用块加密器生成密钥流,再将密钥流与密文流异或得到明文,由于异或操作的对称性所以加密和解密的流程是完全一样的。

在这五种模式里,只有ECB和CBC模式明文数据要求填充至长度为分组长度(16)的整数倍,因为ECB,CBC的加密运算会影响结果,而OFB,CFB,CTR只是最后一步的异或明文,所以不会影响结果,所以我们需要填充。

2. 用digest包进行AES加密解密

我们可以使用digest包的AES函数,进行AES的加密和解密操作,digest包的详细介绍,请参考文章R语言创建哈希摘要digest

使用AES函数时,需要输入3个参数:key, mode, IV。

  • key, 分别作为AES-128、AES-192或AES-256,对应为16、24或32字节的原始向量的密钥。
  • mode, 要使用的加密模式。目前只支持 “电子密码本”(ECB)、”密码块链”(CBC)、”密码反馈”(CFB)和 “计数器”(CTR)模式。
  • IV,偏移量,在CBC和CFB模式的初始向量或CTR模式的初始计数器

2.1 ECB模式
使用ECB模式进行加密,可以使用同一个AES实例进行加密和解密。要求输入的原始数据为16的整数倍。


> library(digest)

# 把明文的转成二进制数据
> msg<- as.raw(c(1:16,1:32));msg
 [1] 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13
[36] 14 15 16 17 18 19 1a 1b 1c 1d 1e 1f 20

# key转成二进制数据
> key <- as.raw(1:16)#;key

# 建立ECB的AES实例
> aes <- AES(key, mode="ECB")

# 加密
> a<-aes$encrypt(msg)

# 解密
> b<-aes$decrypt(a, raw=TRUE);b
 [1] 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13
[36] 14 15 16 17 18 19 1a 1b 1c 1d 1e 1f 20

2.2 CBC模式
使用CBC模式进行加密时,不能使用同一个AES实例进行加密和解密,需要一个新的AES实例进行解密。


# 把明文的转成二进制数据
> msg<- as.raw(c(1:16,1:32));msg
 [1] 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13
[36] 14 15 16 17 18 19 1a 1b 1c 1d 1e 1f 20

# key转成二进制数据
> key <- as.raw(1:16)#;key

# 偏移量转成二进制数据
> iv <- rand_bytes(16)#;iv

# 建立CBC的AES实例
> aes <- AES(key, mode="CBC",iv)

# 加密
> a<-aes$encrypt(msg)

建立另一个实例,进行解密。


> aes2 <- AES(key, mode="CBC",iv)

# 解密
> b<-aes2$decrypt(a, raw=TRUE);b
 [1] 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13
[36] 14 15 16 17 18 19 1a 1b 1c 1d 1e 1f 20

2.3 CFB模式
使用CFB模式进行加密时,不能使用同一个AES实例进行加密和解密,需要一个新的AES实例进行解密,同时要求IV的偏移量长度,与块的大小一致。


# 原始数据
> msg<- as.raw(c(1:16,1:32));msg
 [1] 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13
[36] 14 15 16 17 18 19 1a 1b 1c 1d 1e 1f 20

# 创建IV偏移量,16字节
> iv <- rand_bytes(16)#;iv

# 创建AES实例
> aes <- AES(key, mode="CFB", iv)

# 查看块大小
> aes$block_size()
[1] 16

# 加密
> code <- aes$encrypt(msg)

# 新建实例
> aes2 <-  AES(key, mode="CFB", iv)

# 解密
> aes2$decrypt(code,raw=TRUE)
 [1] 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13
[36] 14 15 16 17 18 19 1a 1b 1c 1d 1e 1f 20

2.4 CTR模式


> msg<- as.raw(c(1:16,1:16));msg
 [1] 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10
> key <- as.raw(1:16)
> iv <- rand_bytes(16)
> aes <- AES(key, mode="CTR", iv)
> code<-aes$encrypt(msg)
> aes2 <-  AES(key, mode="CTR", iv)
> aes2$block_size()
[1] 16
> aes2$decrypt(code,raw=TRUE)
 [1] 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10

2.5 报错:Text length must be a multiple of 16 bytes
在加密过程中,aes$encrypt(msg),msg文本可以是一个单元素的字符向量或一个原始向量,被要求字节长度是16字节长度的倍数。如果原始文本的二进制为非16字节长度,则会有 Text length must be a multiple of 16 bytes 错误。


# 任意原始文字
> msg<- charToRaw("ABCDj@*(;dj! 测试一下中文");msg
 [1] 41 42 43 44 6a 40 2a a3 a8 3b 64 6a 21 20 b2 e2 ca d4 d2 bb cf c2 d6 d0 ce c4
> key <- as.raw(1:16)
> aes <- AES(key, mode="ECB")

# 非16长度倍数
> a<-aes$encrypt(msg)
Error in aes$encrypt(msg) : Text length must be a multiple of 16 bytes

2.6 PKCS5和PKCS7填充
当出现上面的错误的时候,我们需要用PKCS5和PKCS7进行填充补值。加密算法要求明文需要按一定长度对齐,叫做块大小(BlockSize),比如16字节,那么对于一段任意的数据,加密前需要对最后一个块填充到16 字节,解密后需要删除掉填充的数据。

  • PKCS5,PKCS7Padding的子集,块大小固定为8字节。。
  • PKCS7,块大小固定为1-256字节的长度进行分组,最后分剩下那一组,不够长度,就需要进行补齐。

由于digest包,没有提供实现,我自己写了3个函数,用于加密时填充补值和解密是移除补值。

原始字符转二进制补齐16的倍数长度
A4141 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f
AB41 4241 42 0e 0e 0e 0e 0e 0e 0e 0e 0e 0e 0e 0e 0e 0e
ABC41 42 4341 42 43 0d 0d 0d 0d 0d 0d 0d 0d 0d 0d 0d 0d 0d
ABCD41 42 43 4441 42 43 44 0c 0c 0c 0c 0c 0c 0c 0c 0c 0c 0c 0c
ABCDE41 42 43 44 4541 42 43 44 45 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b
ABCDEF41 42 43 44 45 4641 42 43 44 45 46 0a 0a 0a 0a 0a 0a 0a 0a 0a 0a
ABCDEFG41 42 43 44 45 46 4741 42 43 44 45 46 47 09 09 09 09 09 09 09 09 09
ABCDEFGH41 42 43 44 45 46 47 4841 42 43 44 45 46 47 48 08 08 08 08 08 08 08 08
ABCDEFGHI41 42 43 44 45 46 47 48 4941 42 43 44 45 46 47 48 49 07 07 07 07 07 07 07
ABCDEFGHIJ41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 06 06 06 06 06 06
ABCDEFGHIJK41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 05 05 05 05 05
ABCDEFGHIJKL41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 04 04 04 04
ABCDEFGHIJKLM41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 03 03 03
ABCDEFGHIJKLMN41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 4e41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 4e 02 02
ABCDEFGHIJKLMNO41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 4e 4f41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 4e 4f 01
ABCDEFGHIJKLMNOP41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 4e 4f 5041 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 4e 4f 50 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
ABCDEFGHIJKLMNOPQ41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 4e 4f 50 5141 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 4e 4f 50 51 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f 0f

接下来,自己写个函数进行实现


# PKCS5填充
> pkcs5_padding<-function(text){
+   bit<-8
+   if(!is.raw(text)){
+     text<-charToRaw(text)
+   }
+   b<- bit - (length(text)+bit) %% bit
+   c(text,as.raw(rep(as.hexmode(b),b)))
+ }

# PKCS7填充
> pkcs7_padding<-function(text,bit=16){
+   if(bit>256 | bit<1){
+     stop("bit is not in 1-256")
+   }
+   if(!is.raw(text)){
+     text<-charToRaw(text)
+   }
+   b<- bit - (length(text)+bit) %% bit
+   c(text,as.raw(rep(as.hexmode(b),b)))
+ }

# PKCS7移除
> pkcs_strip<-function(rtext){
+   n<-length(rtext)
+   pos<-as.integer(rtext[n])
+   rtext[1:c(n-pos)]
+ }

输出自定的字符串,使用pkcs7_padding()来自动补齐数据。


# 原始明文转二进制
> plaintext<-charToRaw("ABCDj@*(;dj! 测试一下中文");plaintext
 [1] 41 42 43 44 6a 40 2a a3 a8 3b 64 6a 21 20 b2 e2 ca d4 d2 bb cf c2 d6 d0 ce c4

# pkcs7_padding填充
> ptext<-pkcs7_padding(plaintext)

# 创建AES对象
> aes <- AES(key, mode="ECB")

# 加密
> a <- aes$encrypt(ptext);a
 [1] 63 e6 d4 e5 74 c1 13 b3 d5 be 1f 0f a6 db 75 50 d7 d8 3d fb 53 b0 4e 61 67 d1 91 a6 db fe b8 e0

# 解密
> b<-aes$decrypt(aes128, raw=TRUE);b
 [1] 41 42 43 44 6a 40 2a a3 a8 3b 64 6a 21 20 b2 e2 ca d4 d2 bb cf c2 d6 d0 ce c4 06 06 06 06 06 06

# 移除增加的补齐数据
> pkcs7_strip(b)
 [1] 41 42 43 44 6a 40 2a a3 a8 3b 64 6a 21 20 b2 e2 ca d4 d2 bb cf c2 d6 d0 ce c4

# 把二进制转明文
> rawToChar(pkcs7_strip(b))
[1] "ABCDj@*(;dj! 测试一下中文"

3. 用openssl包进行AES加密解密

我们可以使用openssl包的AES函数,进行AES的加密和解密操作,openssl包的详细介绍,请参考文章用openssl生成RSA私钥和公钥

在openssl包中,支持CBC,CTR,GCM三种模式,分别对应aes_cbc_encrypt(), aes_ctr_encrypt(), aes_gcm_encrypt()的三种函数。

在CBC模式下使用AES块状密码进行低级别的对称加密/解密。密钥是一个原始向量,例如一些秘密的散列。当没有共享秘密时,可以使用随机密钥,通过非对称协议(如RSA)进行交换。

从API的使用上,openssl包提供的API函数,要比digest包提供的API函数,看起来更容易一点。

3.1 CBC模式


> library(openssl)

# 设置key 和 iv
> key <- aes_keygen();key
aes e2:40:0a:12:33:9e:83:e9:04:d5:5c:aa:6f:40:d2:cc 
> iv <- rand_bytes(16);iv
 [1] 9a a7 24 f9 1d eb da 25 30 f9 ba b3 1b 69 12 e4

# 原始字符转字节码
> msg<-charToRaw("ABCDj@*(;dj! 测试一下中文");msg
 [1] 41 42 43 44 6a 40 2a a3 a8 3b 64 6a 21 20 b2 e2 ca d4 d2 bb cf c2 d6 d0 ce c4

# 加密
> blob <-    aes_cbc_encrypt(msg, key, iv = iv)

# 解密
> message <- aes_cbc_decrypt(blob, key, iv)

# 字节码转字符串
> out <- rawToChar(message);out
[1] "ABCDj@*(;dj! 测试一下中文"

3.2 CTR模式


> key <- aes_keygen();key
aes 11:65:5a:17:2d:28:f4:92:38:44:90:b1:45:cb:d2:5f 
> iv <- rand_bytes(16);iv
 [1] 94 e0 f6 b1 6a 64 e6 0a a0 cf c1 13 ea be 65 dd
> msg<-charToRaw("ABCDj@*(;dj! 测试一下中文");msg
 [1] 41 42 43 44 6a 40 2a a3 a8 3b 64 6a 21 20 b2 e2 ca d4 d2 bb cf c2 d6 d0 ce c4
> blob <-    aes_ctr_encrypt(msg, key, iv = iv)
> message <- aes_ctr_decrypt(blob, key, iv)
> out <- rawToChar(message);out
[1] "ABCDj@*(;dj! 测试一下中文"

3.3 GCM模式


> key <- aes_keygen();key
aes 38:31:8a:ea:66:96:c7:7d:6d:72:d5:bd:75:62:92:db 
> iv <- rand_bytes(12);iv
 [1] 99 ca b1 36 bf b9 af 78 c5 22 a4 06
> msg<-charToRaw("ABCDj@*(;dj! 测试一下中文");msg
 [1] 41 42 43 44 6a 40 2a a3 a8 3b 64 6a 21 20 b2 e2 ca d4 d2 bb cf c2 d6 d0 ce c4
> blob <-    aes_gcm_encrypt(msg, key, iv = iv)
> message <- aes_gcm_decrypt(blob, key, iv)
> out <- rawToChar(message);out
[1] "ABCDj@*(;dj! 测试一下中文"

本文介绍对称加密算法AES在digest包和openssl包的使用,虽然加密和解密不是R语言的主业,但是真的实现起来,没想到还是挺方便的。哈哈哈,又学到一招。

本文代码已上传到github: https://github.com/bsspirit/encrypt/blob/master/aes.r

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