信息安全工程师-AES密码技术及XOR图像遮盖技术（Java&C++）

Posted 2021-11-22 IT1995

目录

AES加密

编码

异或XOR

加解密步骤

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AES加密

从中可以知道对称加密和公钥密码只能保护机密性，防止窃听。

如果要完整性防篡改，需要用单向散列函数、消息认证码、数字签名技术。

这里有个关于对称加密的一个问题：

如这个问题：对称加密如AES。如果一串密文。有人稍微修了下。用密钥去解会不会解出乱码，还是解密失败？拿java测。稍微测了几次是解密失败。但会不会有解出乱码的情况？

问了一些大佬，最后总结出2个答案：

①一个钥匙（密钥）只能开一把锁（加密数据）。但这样就有一个问题既然是这样的模式，那么这个AES，不就具备了一部分了签名的能力，就可以防篡改了，比如https，最后是用了AES加密，那么这个数据用AES加密，是否能防篡改，而上图中对称加密只用来保障机密性。所以这个地方就有点矛盾了。

②乱码和失败都是有可能，关键看AES是那种加密模式，是如果修改数据的。如果是使用流模式加密，能解密，但解出来的都是乱码。块加密模式只要不修改最后一块就能解密，解出来是乱码，块加密模式修改最后一个块，填充校验失败，不能解密。

这里我做了个实验如下代码：
AES.java

package cn.it1995.tool;

import javax.crypto.*;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;

public class AES {

    private SecretKey mKey;

    public AES(){

        try {

            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
            //创建随机密码，并设置种子
            SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
            secureRandom.setSeed(System.currentTimeMillis());

            //初始化密钥对象
            keyGenerator.init(128, secureRandom);
            mKey = keyGenerator.generateKey();
        }
        catch (NoSuchAlgorithmException e) {

            e.printStackTrace();
        }
    }

    public byte[] encrypt(String content){

        if(mKey == null){

            return new byte[]{-1};
        }

        try {

            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, mKey);
            return cipher.doFinal(content.getBytes());
        }
        catch (NoSuchAlgorithmException e) {

            e.printStackTrace();
        }
        catch (NoSuchPaddingException e) {

            e.printStackTrace();
        }
        catch (BadPaddingException e) {

            e.printStackTrace();
        }
        catch (IllegalBlockSizeException e) {

            e.printStackTrace();
        }
        catch (InvalidKeyException e) {

            e.printStackTrace();
        }

        return new byte[]{-1};
    }

    public byte[] decrypt(byte[] content){

        if(mKey == null){

            return new byte[]{-1};
        }

        try {

            Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, mKey);
            return cipher.doFinal(content);
        }
        catch (NoSuchAlgorithmException e) {

            e.printStackTrace();
        }
        catch (NoSuchPaddingException e) {

            e.printStackTrace();
        }
        catch (BadPaddingException e) {

            e.printStackTrace();
        }
        catch (IllegalBlockSizeException e) {

            e.printStackTrace();
        }
        catch (InvalidKeyException e) {

            e.printStackTrace();
        }

        return new byte[]{-1};
    }
}

Main.java

package cn.it1995.tool;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.nio.ByteBuffer;

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {

        String content = "helloWorldHelloWorld111111111111111111111111";
        AES aes = new AES();

        byte[] encrypted = aes.encrypt(new String(content));
        byte[] decrypt = aes.decrypt(encrypted);
        System.out.println("encrypted:" + new String(encrypted));
        System.out.println("decrypt:" + new String(decrypt));
        System.out.println("----------------------------------");

        ByteBuffer bb = ByteBuffer.wrap(encrypted);

        byte[] cipher = new byte[32];
        bb.get(cipher, 0, 16);

        for(int i = 5; i < 10; i++){

            cipher[i] = 1;
        }

        for(int i = 0; i < 16; i++){

            cipher[16 + i] = encrypted[encrypted.length - 16 + i];
        }

        System.out.println("删除（篡改）保留最后一块：");
        System.out.println(new String(aes.decrypt(cipher)));
    }
}

运行截图：

 所以AES并不能防篡改。如果要防篡改需要用单向散列函数、消息认证码、数字签名技术。

编码

编码：将现实世界中的东西映射为比特序列的操作。如midnight：

m->0110 1101

i->0110 1001

d->0110 0100

n->0110 1110

i->0110 1001

g->0110 0111

h->0110 1000

t->0111 0100

异或XOR

这个比较有意思以前的理解为相同为0，不同的为1，

这里看到了有人用棋盘翻转的理解方式。

理解：0表示不翻转，1表示翻转。

0 XOR 0 = 0；没有翻转

1 XOR 0 = 1；翻转了1次

0 XOR 1 = 1；翻转了1次

1 XOR 1 = 0；翻转了2次

加解密步骤

A XOR B = C

C XOR B = A

一串数据与密钥运算，得到加密数据，加密数据在与密钥运算获取明文。

如下：

A:0100 1100

B:1010 1010

来计算一下：

A XOR B:

0100 1100

1010 1010

----------

1110 0110

结果 XOR B：

1110 0110

1010 1010

----------

0100 1100

这里有个结论：数据a异或数据b得到数据c，数据c再与数据数据b异或，可以得到数据a。

图像是这样的：

下面使用Qt来实现这个加密。

编程实例

程序运行截图如下：

先是一个蜡笔小新的彩色图：

 下面是《山坡羊·潼关怀古》

 原理就是上面说的，通过这种方式实现图片掩盖。这里水印也可以这么搞。

工程如下：

源码如下：

Widget.h

#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include <QWidget>

QT_BEGIN_NAMESPACE
namespace Ui { class Widget; }
QT_END_NAMESPACE

class Widget : public QWidget
{
    Q_OBJECT

public:
    Widget(QWidget *parent = nullptr);
    ~Widget();

private:
    Ui::Widget *ui;
    uchar *m_secPtr;
    uchar *m_xorPtr;
    uchar *m_retPtr;
};
#endif // WIDGET_H

 Widget.cpp

#include "Widget.h"
#include "ui_Widget.h"
#include <QImage>
#include <QDebug>
#include <QRandomGenerator>

Widget::Widget(QWidget *parent)
    : QWidget(parent)
    , ui(new Ui::Widget)
{
    ui->setupUi(this);

    QImage pix(":/tghg.png");
    uchar *oriPtr = pix.bits();

    int picSize = pix.sizeInBytes();
    m_secPtr = new uchar[picSize];
    m_xorPtr = new uchar[picSize];
    m_retPtr = new uchar[picSize];

    //生成密钥图片
    for(int i = 0; i < picSize; i++){

        m_secPtr[i] = QRandomGenerator::global()->bounded(256);
    }

    ui->originLabel->setPixmap(QPixmap::fromImage(pix));
    ui->secLabel->setPixmap(QPixmap::fromImage(QImage(m_secPtr, pix.width(), pix.height(), pix.format())));

    for(int i = 0; i < picSize; i++){

        m_xorPtr[i] = oriPtr[i] ^ m_secPtr[i];
    }

    ui->xorLabel->setPixmap(QPixmap::fromImage(QImage(m_xorPtr, pix.width(), pix.height(), pix.format())));

    //还原
    for(int i = 0; i < picSize; i++){

        m_retPtr[i] = m_xorPtr[i] ^ m_secPtr[i];
    }

    ui->retLabel->setPixmap(QPixmap::fromImage(QImage(m_retPtr, pix.width(), pix.height(), pix.format())));
}

Widget::~Widget()
{
    delete ui;
    delete this->m_retPtr;
    delete this->m_secPtr;
    delete this->m_xorPtr;
}

main.cpp

#include "Widget.h"

#include <QApplication>

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);
    Widget w;
    w.show();
    return a.exec();
}

源码打包下载地址：

Qt/XorPic at master · fengfanchen/Qt · GitHub