使用C++和Crypto++庫進行加密解密

作者：未平 2024-01-26 16:32:08

本文我們將深入探討如何利用C++和Crypto++庫實現高效且安全的AES加密與解密機制。

在這篇博客中，我們將深入探討如何利用C++和Crypto++庫實現高效且安全的AES加密與解密機制。Crypto++是一款高度認可的免費C++類庫，它包含了廣泛的密碼學算法實現，包括但不限于AES和SHA-1。我們的討論將重點放在構建一個強大的AES加密解密類結構上，同時充分利用Crypto++庫的強大功能。

首先，我們引入了一個名為Crypt的基類。該類精心設計了四個純虛函數，分別負責字符串和二進制數據的加密與解密。這種設計遵循了策略模式的思想，它為運行時切換加密和解密的具體實現提供了靈活性。這不僅體現了面向對象編程的多態特性，也為未來可能的擴展提供了堅實的基礎。

class Crypt
{
public:
    Crypt() = default;
    virtual ~Crypt() = default;
    virtual std::string Encrypt(const std::string& input) = 0;
    virtual std::string Decrypt(const std::string& input) = 0;
    virtual std::string Encrypt(const void* input, size_t size) = 0;
    virtual std::string Decrypt(const void* input, size_t size) = 0;
};

繼而，我們引入了AEScrypt類，它是Crypt的一個具體實現，專門負責AES加密和解密。此類的設計精巧地運用了Pimpl（Pointer to Implementation）模式，通過一個指向AESImpl類的智能指針impl_將接口和實現分離。這種模式不僅提升了代碼的可維護性，還有效地隔離了接口變更對實現的影響，是現代C++設計中的一種常見而有效的實踐。

class AEScrypt : public Crypt
{
public:
    static std::string GetKey(const std::string& salt, const std::string& password);
    explicit AEScrypt(const std::string& key);

    ~AEScrypt() override;
    std::string Encrypt(const std::string& input) override;
    std::string Decrypt(const std::string& input) override;
    std::string Encrypt(const void* input, size_t size) override;
    std::string Decrypt(const void* input, size_t size) override;

private:
    std::unique_ptr<AESImpl> impl_;
};

AEScrypt類中包含的靜態函數GetKey，使用PBKDF2算法從鹽值和密碼生成AES密鑰。PBKDF2是一種基于密碼的密鑰導出函數，其核心優勢在于其高計算復雜度，這顯著增加了抵御暴力破解攻擊的難度。通過調整迭代次數，可以進一步提高安全性。

AEScrypt構造函數接受一個AES密鑰，并利用這個密鑰初始化其impl_成員。隨后，Encrypt和Decrypt函數便可以調用impl_成員的對應方法來執行加密和解密操作。

class AESImpl
{
public:
    explicit AESImpl(const std::string& key);
    ~AESImpl();
    AESImpl(const AESImpl&) = delete;
    AESImpl& operator=(const AESImpl&) = delete;

    void Init(const char* key, size_t size);

    std::string Encrypt(const void* input, size_t size);
    std::string Decrypt(const void* input, size_t size);

private:
    CryptoPP::CBC_Mode<CryptoPP::AES>::Encryption enc_;
    CryptoPP::CBC_Mode<CryptoPP::AES>::Decryption dec_;
    byte iv_[CryptoPP::AES::BLOCKSIZE] = {0};
};

    using byte = CryptoPP::byte;

    class AESImpl
    {
    public:
        explicit AESImpl(const std::string& key);
        ~AESImpl();
        AESImpl(const AESImpl&) = delete;
        AESImpl& operator=(const AESImpl&) = delete;

        void Init(const char* key, size_t size);

        std::string Encrypt(const void* input, size_t size);
        std::string Decrypt(const void* input, size_t size);

    private:
        CryptoPP::CBC_Mode<CryptoPP::AES>::Encryption enc_;
        CryptoPP::CBC_Mode<CryptoPP::AES>::Decryption dec_;
        byte iv_[CryptoPP::AES::BLOCKSIZE] = {0};
    };

    AESImpl::AESImpl(const std::string& key)
    {
        Init(key.data(), key.size());
    }

    AESImpl::~AESImpl() = default;

    void AESImpl::Init(const char* key, size_t size)
    {
        enc_.SetKeyWithIV(reinterpret_cast<const byte*>(key), size, iv_);
        dec_.SetKeyWithIV(reinterpret_cast<const byte*>(key), size, iv_);
    }


    std::string AESImpl::Encrypt(const void* input, size_t size)
    {
        std::string cipher;
        try
        {
            CryptoPP::StringSource ss(reinterpret_cast<const byte*>(input), size, true,
                                      new CryptoPP::StreamTransformationFilter(enc_,
                                                                               new CryptoPP::StringSink(cipher),
                                                                               CryptoPP::StreamTransformationFilter::PKCS_PADDING));
        }
        catch (const CryptoPP::Exception& e)
        {
            return "";
        }
        return cipher;
    }

    std::string AESImpl::Decrypt(const void* input, size_t size)
    {
        std::string recovered;
        try
        {
            CryptoPP::StringSource ss(reinterpret_cast<const byte*>(input), size, true,
                                      new CryptoPP::StreamTransformationFilter(dec_,
                                                                               new CryptoPP::StringSink(recovered),
                                                                               CryptoPP::StreamTransformationFilter::PKCS_PADDING));
        }
        catch (const CryptoPP::Exception& e)
        {
            return "";
        }
        return recovered;
    }

    std::string AEScrypt::GetKey(const std::string& salt, const std::string& password)
    {
        CryptoPP::SecByteBlock key(CryptoPP::AES::DEFAULT_KEYLENGTH);
        CryptoPP::PKCS5_PBKDF2_HMAC<CryptoPP::SHA256> pbkdf;
        pbkdf.DeriveKey(key, key.size(), 0,
                        reinterpret_cast<const CryptoPP::byte*>(password.data()), password.size(),
                        reinterpret_cast<const CryptoPP::byte*>(salt.data()), salt.size(),
                        1000, 0.0);
        return std::string(reinterpret_cast<char*>(key.BytePtr()), key.size());
    }

    AEScrypt::AEScrypt(const std::string& key) : impl_(std::make_unique<AESImpl>(key))
    {
    }

    AEScrypt::~AEScrypt() = default;

    std::string AEScrypt::Encrypt(const std::string& input)
    {
        return impl_->Encrypt(input.data(), input.size());
    }

    std::string AEScrypt::Decrypt(const std::string& input)
    {
        return impl_->Decrypt(input.data(), input.size());
    }

    std::string AEScrypt::Encrypt(const void* input, size_t size)
    {
        return impl_->Encrypt(input, size);
    }

    std::string AEScrypt::Decrypt(const void* input, size_t size)
    {
        return impl_->Decrypt(input, size);
    }

在AESImpl類中，私有成員enc_和dec_分別用于AES的加密和解密操作。這兩個成員是`CryptoPP::CBC_Mode<CryptoPP::

AES>::Encryption和CryptoPP::CBC_ModeCryptoPP::AES::Decryption`的實例，代表AES的CBC（Cipher Block Chaining）模式。CBC模式是塊密碼的一種常見工作模式，它通過鏈式操作增強了加密的安全性。

責任編輯：趙寧寧來源： coding日記

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