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對稱加密演算法在C#中的踩坑日常

前言

有幸接觸了一下傳說中的對稱加密演算法3DES

感覺這些加密演算法與我的工作是想去甚遠的,一般沒什麼機會接觸這些東西

今次瞭解了一下3DES這個對稱演算法

原理算不上明白,算是踩了C#中的一些坑吧

C#中對於金鑰的處理比較奇怪,花費了一晚上一早上的時間才弄明白

期間偷窺了不少C#的原始碼

下面由我娓娓道來

簡介

3DES演算法命名

定義演算法最早期的標準被放在ANS X9.52中並在1998年釋出並將其描述為三重資料加密演算法(簡稱TDEA),在ANSI X3.92中定義了該演算法的三個操作但是並沒有使用DES或者3DES,直到1999年釋出的FIPS PUB 46-3在正式命名三重資料加密演算法,大概在2004到2005的樣子才正式引入三重資料加密演算法,之前一直以TDEA存在著,也就是說TDEA就是3DES,但是沒有使用3DES作為標準術語。

基本邏輯

三重資料加密演算法使用包括金鑰K1,金鑰K2和金鑰約束K3,每一個包含56位不包含奇偶校驗,演算法實現公式如下:

ciphertext = EK3(DK2(EK1(plaintext)))

密文 = EK3(DK2(EK1(平文)))

用K1對資料進行加密,用K2對資料進行解密,用K3對資料再加密。

解密公式為如下:

plaintext = DK1(EK2(DK3(ciphertext)))

平文 = DK1(EK2(DK3(密文)))

用K3j對資料進行解密,用K2對資料進行加密,用K1對資料進行加密。每次加密都處理64位資料並形成一塊。

3DES加密選項

定義了三種金鑰選項。

(1)三個金鑰相互獨立。

(2)K1和K2金鑰獨立,但K1 = K3。

(3)三個金鑰相等。

金鑰選項1的強度最高,擁有3 x 56 = 168個獨立的金鑰位。

金鑰選項2的安全性稍低,擁有2 x 56 = 112個獨立的金鑰位。該選項比簡單的應用DES兩次的強度較高,即使用K1和K2,因為它可以防禦中途相遇攻擊。

金鑰選項3等同與DES,只有56個金鑰位。這個選項提供了與DES的相容性,因為第1和第2次DES操作相互抵消了。該選項不再為國家標準科技協會(NIST)所推薦,亦不為ISO/IEC 18033-3所支援。

C#實現

講真簡介裡用來湊字數的這些內容我其實沒怎麼看明白

C#中使用TripleDESCryptoServiceProvider

類來實現相關功能

        public static string DesEncrypt(string input, string key)
        {
            byte[] inputArray = Encoding.UTF8.GetBytes(input);
            TripleDESCryptoServiceProvider tripleDES = new TripleDESCryptoServiceProvider();
            tripleDES.Key = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
          
            tripleDES.Mode = CipherMode.ECB;
            tripleDES.Padding = PaddingMode.PKCS7;
            ICryptoTransform cTransform = tripleDES.CreateEncryptor();
            byte[] resultArray = cTransform.TransformFinalBlock(inputArray, 0, inputArray.Length);
            tripleDES.Clear();
            return Convert.ToBase64String(resultArray, 0, resultArray.Length);
        }

        public static string DesDecrypt(string input, string key)
        {
            byte[] inputArray = Convert.FromBase64String(input);
            TripleDESCryptoServiceProvider tripleDES = new TripleDESCryptoServiceProvider();
            tripleDES.Key = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
            tripleDES.Mode = CipherMode.ECB;
            tripleDES.Padding = PaddingMode.PKCS7;
            ICryptoTransform cTransform = tripleDES.CreateDecryptor();
            byte[] resultArray = cTransform.TransformFinalBlock(inputArray, 0, inputArray.Length);
            tripleDES.Clear();
            return Encoding.UTF8.GetString(resultArray);
        }

從下面原始碼中看出,該類接收的Key為16位或24位

然後對於這個Key,C#似乎有自己的處理方式

以下為個人理解:

這個24位的key會被處理成3個8位元組的獨立金鑰參與運算

當提供24位key時並沒有什麼不妥

但是當提供16位的key時 會把提供的key拆分成兩個塊(block) 並以第一個塊作為第三個塊組成一個24位的金鑰

如下:

輸入金鑰:49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55

實際使用:49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56

可以看出使用了前8位來進行後面8位的補全

這時候你可能要問,如果提供一個不是16位也不是24位的金鑰時會發生什麼

會拋異常

以上理解都是在.NetFramework中的體現

如果換到NetCore中,效果就又不一樣了

NetCore

在NetCore中不存在TripleDESCryptoServiceProvider 取而代之的是 TripleDES

所以此時我們的程式碼需要稍作修改

public static string DesEncrypt(string input, string key)
        {

            byte[] inputArray = Encoding.UTF8.GetBytes(input);
            var tripleDES = TripleDES.Create();
            var byteKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
            tripleDES.Key = byteKey;
            tripleDES.Mode = CipherMode.ECB;
            tripleDES.Padding = PaddingMode.PKCS7;
            ICryptoTransform cTransform = tripleDES.CreateEncryptor();
            byte[] resultArray = cTransform.TransformFinalBlock(inputArray, 0, inputArray.Length);
            return Convert.ToBase64String(resultArray, 0, resultArray.Length);
        }

        public static string DesDecrypt(string input, string key)
        {
            byte[] inputArray = Convert.FromBase64String(input);
            var tripleDES = TripleDES.Create();
            var byteKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
            tripleDES.Key = byteKey;
            tripleDES.Mode = CipherMode.ECB;
            tripleDES.Padding = PaddingMode.PKCS7;
            ICryptoTransform cTransform = tripleDES.CreateDecryptor();
            byte[] resultArray = cTransform.TransformFinalBlock(inputArray, 0, inputArray.Length);
            return Encoding.UTF8.GetString(resultArray);
        }

NetCore中同樣要求我們提供24位的Key

但是不在相容16位的Key,如果你提供一個非24位的Key就會異常

不過沒關係,對於16位的Key我們可以自行處理一下

同理使用前8位補全後8位

        public static string DesEncrypt(string input, string key)
        {

            byte[] inputArray = Encoding.UTF8.GetBytes(input);
            var tripleDES = TripleDES.Create();
            var byteKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
            //複製前8位補全後8位
            byte[] allKey = new byte[24];
            Buffer.BlockCopy(byteKey, 0, allKey, 0, 16);
            Buffer.BlockCopy(byteKey, 0, allKey, 16, 8);
            tripleDES.Key = allKey;
            tripleDES.Mode = CipherMode.ECB;
            tripleDES.Padding = PaddingMode.PKCS7;
            ICryptoTransform cTransform = tripleDES.CreateEncryptor();
            byte[] resultArray = cTransform.TransformFinalBlock(inputArray, 0, inputArray.Length);
            return Convert.ToBase64String(resultArray, 0, resultArray.Length);
        }

        public static string DesDecrypt(string input, string key)
        {
            byte[] inputArray = Convert.FromBase64String(input);
            var tripleDES = TripleDES.Create();
            var byteKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
            //複製前8位補全後8位
            byte[] allKey = new byte[24];
            Buffer.BlockCopy(byteKey, 0, allKey, 0, 16);
            Buffer.BlockCopy(byteKey, 0, allKey, 16, 8);
            tripleDES.Key = allKey;
            tripleDES.Mode = CipherMode.ECB;
            tripleDES.Padding = PaddingMode.PKCS7;
            ICryptoTransform cTransform = tripleDES.CreateDecryptor();
            byte[] resultArray = cTransform.TransformFinalBlock(inputArray, 0, inputArray.Length);
            return Encoding.UTF8.GetString(resultArray);
        }

至此就可以正常相容NetFramework的程式碼了

小結

至此寫下此文,也算是對3DES有了些許瞭解吧

需要記住

在.NET Core中利用3DES加密和解密必須要給出3個金鑰即24個位元組即使金鑰3和金鑰1相等,它不會像.NET Framework中會重用金鑰1中的位數。