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环境说明
无
前言
在之前，一直是通过生活、工作零零碎碎接触过加密及加密算法相关的信息，但是也只是听说过，并不知道这些算法用处和区别。
最近由于工作安排，需要将Fernet算法实现一版C++的加解密定制程序，由于Fernet组合了许多的基础加密算法，因此在这个地方，对一些常用的基础加密算法做一个总结。
加密是什么？
介绍：把“原始数据”通过某种算法+秘钥变换后，得到了“加密数据”的这个过程叫做加密。从这里也可以看到，对于加密来说，其核心要素就是：加密算法+秘钥。
意义：对于“加密数据”来说，未授权的用户，不能够直接知道“原始数据”的内容。
下面介绍一些常见的加密类别和加密相关配套的其他内容。
对称加密
对称加密是指使用 一个相同秘钥 就能对消息进行加密和解密的加密方法。
对称加密的特点就是使用 一个相同秘钥。
我们常见的对称加密有：XOR、AES等。下面我们来简单分析一下AES加密。
AES加密
高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES），是一种区块加密标准。从它的定义来看，其特点是区块加密，一般来说，我们常见的有AES128和AES256。
例如我们可以用如下的openssl提供的方法进行AES的加解密：
int AES_set_encrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits,
AES_KEY *key);
int AES_set_decrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits,
AES_KEY *key);
//注意这里只是一种cbc加密方法，aes还有很多其他加密方法
void AES_cbc_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out,
size_t length, const AES_KEY *key,
其实我们从上面的描述来看，就知道AES一般以16字节或者32字节为一组（我们将其定义为区块大小），进行加密。这里就会引申出一个问题，如果我们的数据（最后一组消息）不够一个区块大小，我们应该怎么办？这里提供的常见方案就是做填充。
非对称加密（公钥加密算法）
我们知道，加密一般是用于消息传递，那么如果是对称加密的情况下，要传递的两个事务：加密消息+秘钥。对于对称加密来说，如果我们的秘钥泄露了，就基本上等于明文传递了。因此，有了非对称加密。其实后面很多的加密方法就在平衡 加密消息+秘钥 两个事情。
非对称加密就是有两个秘钥（私钥，公钥），实现1对多的双向通信。其中我们常见的加密方式是：RSA，ECC等。下面，我们尝试简单介绍RSA。
RSA 加密算法
简介（来自于Wikipedia）：RSA加密算法是一种非对称加密算法。RSA是由罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）在1977年一起提出的。当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA 就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。
RSA只从使用的角度来说，只需要了解如下的大致的概念：
- 模数N、公钥指数pubE、私钥指数priE
- 加密：秘文=明文^priE mod N，秘文=明文^pubE mod N
- 解密：明文=秘文^pubE mod N，明文=秘文^priE mod N
从上面来看，私钥= 私钥指数priE + 模数N，公钥= 公钥指数pubE + 模数N。至于公钥，私钥，模数怎么来的，网上已有许多资料，有兴趣可以去看看。
基于openssl的RSA代码节选：
// 生成秘钥，秘钥里面包含了私钥+公钥
int RSA_generate_key_ex(RSA *rsa, int bits, BIGNUM *e, BN_GENCB *cb);
// 基于公钥和私钥的加解密
int RSA_public_encrypt(int flen, const unsigned char *from,
unsigned char *to, RSA *rsa, int padding);
int RSA_private_encrypt(int flen, const unsigned char *from,
unsigned char *to, RSA *rsa, int padding);
int RSA_public_decrypt(int flen, const unsigned char *from,
unsigned char *to, RSA *rsa, int padding);
int RSA_private_decrypt(int flen, const unsigned char *from,
unsigned char *to, RSA *rsa, int padding);
散列函数（Hash function）
介绍：使用 散列函数（md5, sha1, sha256） 对原始数据进行处理，生成散列值（数字摘要）。这些散列函数保证一个输入对应一个输出，并且通过散列值无法得到原始数据输入，因此不属于加密。
此外，如果散列函数不够健壮，可能会出现碰撞的可能性。
意义：由于其不同的数据输入会得到不同的散列值，因此主要用来校验数据的完整性。
基于openssl的常见散列函数代码节选：
//注意，根据官网的描述，如下这些接口已经逐步被弃用，这里只是起示例作用。
int SHA1_Init(SHA_CTX *c);
int SHA1_Update(SHA_CTX *c, const void *data, size_t len);
int SHA1_Final(unsigned char *md, SHA_CTX *c);
//注意，根据官网的描述，如下这些接口已经逐步被弃用，这里只是起示例作用。
int SHA256_Init(SHA256_CTX *c);
int SHA256_Update(SHA256_CTX *c, const void *data, size_t len);
int SHA256_Final(unsigned char *md, SHA256_CTX *c);
其实做过编程的人，对hash这个概念并不陌生。
消息认证码
含义：使用 散列函数+秘钥来生成认证码（MAC）。相较于散列函数来说，对于同一个消息，需要指定的秘钥+散列函数才能够得到最终的认证码。
意义：在散列函数中，原始数据和散列值是绑定的。在一个消息传递系统中，散列函数只解决了数据完整性的问题，并没有解决数据来源是否可靠的问题（可以伪造原始数据+新散列值）。 通过消息验证码，由于有了秘钥的保护， 解决了 散列值+消息 来源不可靠的问题。
基于openssl的消息认证码代码节选：
//这里的evp_md用来描述不同的散列函数
unsigned char *HMAC(const EVP_MD *evp_md, const void *key,
int key_len, const unsigned char *d, size_t n,
unsigned char *md, unsigned int *md_len);
签名算法
下面是签名的一个简单流程：
- 基于公钥加密系统，生成秘钥对（公钥、私钥）。
- 对消息进行数字摘要计算。
- 对数字摘要进行私钥加密，得到数字签名。
- 将信息、数字签名、公钥发给接收者，接收者可以验证：信息的完整性+发送者的身份。
从这里来看，我们可以知道，签名其实和消息认证码具有相同的意义，都能够验证：完整性+发送者的身份。但是由于其原理，导致其应用场景不一致。例如：数字签名由于使用非对称加密，而消息认证码可以认为是使用了对称加密，导致他们的使用场景是不一样的。
CA机构与数字证书
其实从名字上来看，就知道CA机构与数字证书和签名算法相关，为了解决公钥加密系统中，公钥是否可信的问题。下面是它们的一些概念：
- CA（Certificate Authority）是“证书颁发机构”的简称，它是“受信任”的第三方组织，负责验证申请者身份并发放数字证书。
- 数字证书是：特定用户或系统身份信息（如域名、组织名等）+ 该用户公钥 + 由权威机构（CA）签署的数字签名（对用户的信息+公钥） 组成的数据结构。
简单来说，由于我们信任了CA的证书（CA的公钥），我们可以用CA的公钥解密出 数字证书用户的公钥，然后我们用 数字证书用户的公钥 和 数字证书用户加密通信。总的来说，数字证书其实是一个信任链的问题。
Base64 编码
介绍：一种将 二进制数据 编码为 可见字符 的编码方法。简单来说就是用 4个字节的可见字符 代替是 3个字节数据 的编码过程。
意义：可以将二进制数据表达为文本信息，方便后续对二进制数据进行处理。
数据区块填充，PKCS（Public-Key Cryptography Standards）
特别说明，PKCS是一系列公钥密码标准，里面具备很多的内容，其大概有15个标准，分别是pkcs1,pkcs2 ... ... pkcs14,pkcs15
从上面我们知道，现在常用的填充方法是：公钥加密标准（PKCS，Public-Key Cryptography Standards）里面的节选内容。其有很多填充类别，例如：PKCS1-padding节选, PKCS5-padding节选, PKCS7-padding节选，我们这里只讨论pkcs5和pkcs7。（注意，这些标准除了数据填充，还有其他定义内容。）
下面先介绍PKCS5-padding，先定义数据区块大小为SIZE，pkcs5和pkcs7的填充说明，下面以SIZE=8字节举例：
- 要填充7个字节,那么填入的值就是0×07;
- 如果只填充１个字节，那么填入的值就是0×01;
- 数据恰好是8的倍数时还要补8个字节的0×08。
从上面的PKCS5-padding，我们可以知道，这里需要数据区块固定为8字节。如果我们想给其他大小的数据区块做数据对齐，那么PKCS5-padding就不满足要求，因此就有PKCS7-padding的填充方法：
- PKCS7-padding的数据区块大小可以是：1-255字节。
- 其他的，PKCS7-padding填充原理和PKCS5一样。
从上面可知，PKCS7-padding节选包含了PKCS5-padding节选，且适用性范围更加的广泛。
到了这里，我们就能够对AES128或者AES256做基于PKCS7-padding的16字节对齐或者32字节对齐的操作了。
这里的代码实现很简单，这里提供一种方法，大概就是：首先对消息进行强制扩大255字节，然后根据数据区块大小做填充即可，基本可以实现pkcs7填充的原理。
后记
其实，我们从上面的内容来看，能发现一些规律：
-
由于信任链的存在，因此有了CA机构和数字证书，而数字证书与签名算法相关，而签名算法又与 非对称加密和散列函数强相关。
-
然后为了实现我们现在常见的加密系统，我们使用了：对称加密、非对称加密、散列函数、消息认证码和base64编码等手段。
参考文献
- 无
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