正确使用AES对称加密

Posted 2021-04-25 DotNet骚操作

正确使用AES对称加密

经常我看到项目中有人使用了对称加密算法，用来加密客户或项目传输中的部分数据。但我注意到开发 人员由于不熟悉原理，或者简单复制网上的代码示例，有导致代码存在安全风险。

我经常遇到的问题，有如下：

• 如使用了过时的加密算法（如DES）

• 设置了不安全的加密模式（ECB）

• 不正确地处理初始向量（IV）

对称加密算法

算法	位长	建议
RC4	40	❌
DES	56	❌
3DES	112	❌
AES	128	✔

TL;DR:

RC4/DES/3DES都 不符合 加密/破解的安全性要求。

DES是56位加密，听起来感觉3DES应该是168位，但实际上其有效加密位长只有112位。

其它更长的加密算法，如AES 192位/AES 256位也符合要求。

加密模式

TL;DR: 不要使用ECB。

ECB不需要初始向量（IV），这个“惊人”的发现常常让开发简单粗暴地设计为ECB。ECB的问题在于输入和输出存在非常明显的关联，攻击者可以从输出轻松地猜出输入数据。

C#的AES算法默认模式为CBC，该算法没有上述的安全问题，而且最为通用，可以使用该模式。

初始向量

TL;DR:
初始向量 必须 为完全随机数，完全随机数应该使用RandomNumberGenerator进行加密。

回想这个问题，数据加密完后，该发送什么给接收方？仅数据？那么初始向量（IV）怎么办？

大多数开发选择的办法是，写一个固定的初始向量（IV）用于加密，然后解密时，也使用相同的初始向量。这样就导致相同的输入会产生相同的输出。

为什么相同的输入应该产生不同的输出？因为根据历史经验，攻击者可以获取一些信息，知道某个确定输入的含义。一旦再次捕获到相同的加密数据，就能轻易破解。

所以，发送数据应该包含：版本+初始向量+数据。

面向字符串

加密是面向字节还是字符串？我认为应该面向字节。如果面向字符串，那么很多问题很难受到重视。

试着回答这个问题：

• 用户的密码是什么样子的？

• 是长度为固定32位的HEX字符吗？如1C8F7B2C9759209C6ACC3C105D39BBAC？

• 还是用户想输入什么就输入什么？如My-Super-Str0ng-Password!!？

我认为加密算法应该面向字节流/字节数据，而不是字符串。将字符串发送给客户、放在JSON中进行端对端传输，是没什么毛病的做法。但基于以下原因，我强烈建议加密/解密算法要基于字节数据：

• 避免密码太长或太短的问题

• 来回转换为字符串效率低下

• 字符串转换为字节数组容易，其它数据序列化为字节数据也容易

我的加密/解密方法

// 代码按原样提供，可随意使用，但不对其安全性作任何保证。
string Encrypt(string password, string purpose, byte[] plainBytes)
{
    byte[] key = PasswordToKey(password, purpose);
    using (var aes = Aes.Create())
    {
        aes.Key = key;
        using (ICryptoTransform encryptor = aes.CreateEncryptor())
        {
            byte[] cipherBytes = encryptor.TransformFinalBlock(plainBytes, 0, plainBytes.Length);
            byte[] packedBytes = Pack(
                version: 1, 
                iv: aes.IV, 
                cipherBytes: cipherBytes);
            return Base64UrlEncode(packedBytes);
        }
    }
}

byte[] Decrypt(string packedString, string password, string purpose)
{
    byte[] key = PasswordToKey(password, purpose);
    byte[] packedBytes = Base64UrlDecode(packedString);
    (byte version, byte[] iv, byte[] cipherBytes) = Unpack(packedBytes);
    using (var aes = Aes.Create())
    {
        using (ICryptoTransform decryptor = aes.CreateDecryptor(key, iv))
        {
            return decryptor.TransformFinalBlock(cipherBytes, 0, cipherBytes.Length);
        }
    }
}

其中公共方法：

// 代码按原样提供，可随意使用，但不对其安全性作任何保证。
byte[] PasswordToKey(string password, string purpose)
{
    using (var hmac = new HMACMD5(Encoding.UTF8.GetBytes(purpose)))
    {
        return hmac.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(password));
    }
}

string Base64UrlEncode(byte[] bytes)
{
    return Convert.ToBase64String(bytes)
            .Replace("/", "_")
            .Replace("+", "-")
            .Replace("=", "");
}

byte[] Base64UrlDecode(string base64Url)
{
    return Convert.FromBase64String(base64Url
        .Replace("_", "/")
        .Replace("-", "+"));
}

(byte version, byte[] iv, byte[] cipherBytes) Unpack(byte[] packedBytes)
{
    if (packedBytes[0] == 1)
    {
        // version 1
        return (1, packedBytes[1..1 + 16], packedBytes[1 + 16..]);
    }
    else
    {
        throw new NotImplementedException("unknown version");
    }
}

byte[] Pack(byte version, byte[] iv, byte[] cipherBytes)
{
    return new[] { version }.Concat(iv).Concat(cipherBytes).ToArray();
}

解释:

• Base64UrlEncode/Decode：用于将字符串在Url上传输，将+/=转换成：-_

• Pack/Unpack：将版本/初始向量/密文打包/解包

• PasswordToKey：将长度不一样密码，加上purpose，转换为长度一样的key，其中改成HMACSHA256可以使用256位的AES算法。

测试代码：

// 代码按原样提供，可随意使用，但不对其安全性作任何保证。
string purpose = "这个算法是用来搞SSO的";
// 返回：AcfCe3AQcmNkeNThv-u09H_HyGKy_iRy-7uGiW0IZOHI
Encrypt("密码here", purpose, Encoding.UTF8.GetBytes("Hello World"));
// 返回：Hello World
Encoding.UTF8.GetString(Decrypt("AcfCe3AQcmNkeNThv-u09H_HyGKy_iRy-7uGiW0IZOHI", "密码here", purpose));