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2020
04-09

openssl 下的对称加密和非对称加密



对称加密: 在加密和解密过程中使用相同的密钥, 或是两个可以简单地相互推算的密钥的加密算法.

非对称加密: 也称为公开加密, 它需要一个密钥对, 一个是公钥, 一个是私钥, 一个负责加密, 一个负责解密.

对称加密在性能上要优于非对称加密, 但是安全性低于非对称加密.

PHP 7.1 之后的对称加密和非对称加密都需要借助 openssl 扩展实现. mcrypt 库已经被移除.


对称加密函数

openssl_get_cipher_methods() : 返回 openssl 支持的所有加密方式.
openssl_encrypt($data, $method, $key, $options = 0, $iv = '') : 以指定方式 method 和密钥 key 加密 data, 返回 false 或加密后的数据.

  • 1.data : 明文
  • 2.method : 加密算法
  • 3.key : 密钥
  • 4.options :

0 : 自动对明文进行 padding, 返回的数据经过 base64 编码.

1 : OPENSSL_RAW_DATA, 自动对明文进行 padding, 但返回的结果未经过 base64 编码.

2 : OPENSSL_ZERO_PADDING, 自动对明文进行 0 填充, 返回的结果经过 base64 编码. 但是, openssl 不推荐 0 填充的方式, 即使选择此项也不会自动进行 padding, 仍需手动 padding.


5.iv : 非空的初始化向量, 不使用此项会抛出一个警告. 如果未进行手动填充, 则返回加密失败.

  • openssl_decrypt($data, $method, $key, $options = 0, $iv = '') : 解密数据.
    openssl_cipher_iv_length($method) : 获取 method 要求的初始化向量的长度.
    openssl_random_pseudo_bytes($length) : 生成指定长度的伪随机字符串.
    hash_mac($method, $data, $key, $raw_out) : 生成带有密钥的哈希值.
  • method : 加密算法
  • data : 明文
  • key : 密钥
  • raw_output :

  • TRUE : 输出原始二进制数据
  • FALSE : 输出长度固定的小写 16 进制字符串

主流的对称加密方式有 DES, AES. 这两种加密方式都属于分组加密, 先将明文分成多个等长的模块 ( block ), 然后进行加密.


DES 加密

DES 加密的密钥长度为 64 bit, 实际应用中有效使用的是 56 位, 剩余 8 位作为奇偶校验位. 如果密钥长度不足 8 个字节, 将会使用 \0 补充到 8 个字节. 如密钥为 "12345", 其加密后的密文与密钥 "12345\0\0\0" 加密后的密文相同. 明文按 64 bit ( UTF-8 下为 8 个字节长度 ) 进行分组, 每 64 位分成一组 ( 最后一组不足 64 位的需要填充数据 ), 分组后的明文组和密钥按位替代或交换的方法形成密文组.

class DES
{
    private $method = 'DES-CBC';
    private $key;

    public function __construct($key)
    {
        // 密钥长度不能超过64bit(UTF-8下为8个字符长度),超过64bit不会影响程序运行,但有效使用的部分只有64bit,多余部分无效,可通过openssl_error_string()查看错误提示
        $this->key = $key;
    }

    public function encrypt($plaintext)
    {
        // 生成加密所需的初始化向量, 加密时缺失iv会抛出一个警告
        $ivlen = openssl_cipher_iv_length($this->method);
        $iv = openssl_random_pseudo_bytes($ivlen);

        // 按64bit一组填充明文
        //$plaintext = $this->padding($plaintext);
        // 加密数据. 如果options参数为0, 则不再需要上述的填充操作. 如果options参数为1, 也不需要上述的填充操作, 但是返回的密文未经过base64编码. 如果options参数为2, 虽然PHP说明是自动0填充, 但实际未进行填充, 必须需要上述的填充操作进行手动填充. 上述手动填充的结果和options为0和1是自动填充的结果相同.
        $ciphertext = openssl_encrypt($plaintext, $this->method, $this->key, 1, $iv);
        // 生成hash
        $hash = hash_hmac('sha256', $ciphertext, $this->key, false);

        return base64_encode($iv . $hash . $ciphertext);

    }

    public function decrypt($ciphertext)
    {
        $ciphertext = base64_decode($ciphertext);
        // 从密文中获取iv
        $ivlen = openssl_cipher_iv_length($this->method);
        $iv = substr($ciphertext, 0, $ivlen);
        // 从密文中获取hash
        $hash = substr($ciphertext, $ivlen, 64);
        // 获取原始密文
        $ciphertext = substr($ciphertext, $ivlen + 64);
        // hash校验
        if(hash_equals($hash, hash_hmac('sha256', $ciphertext, $this->key, false)))
        {
            // 解密数据
            $plaintext = openssl_decrypt($ciphertext, $this->method, $this->key, 1, $iv) ?? false;
            // 去除填充数据. 加密时进行了填充才需要去填充
            $plaintext = $plaintext? $this->unpadding($plaintext) : false;

            return $plaintext;
        }

        return '解密失败';
    }

    // 按64bit一组填充数据
    private function padding($plaintext)
    {
        $padding = 8 - (strlen($plaintext)%8);
        $chr = chr($padding);

        return $plaintext . str_repeat($chr, $padding);
    }

    private function unpadding($ciphertext)
    {
        $chr = substr($ciphertext, -1);
        $padding = ord($chr);

        if($padding > strlen($ciphertext))
        {
            return false;
        }
        if(strspn($ciphertext, $chr, -1 * $padding, $padding) !== $padding)
        {
            return false;
        }

        return substr($ciphertext, 0, -1 * $padding);
    }
}

AES 加密

AES 加密的分组长度是 128 位, 即每个分组为 16 个字节 ( 每个字节 8 位 ). 密钥的长度根据加密方式的不同可以是 128 位, 192 位, 256 位. 与 DES 加密一样. 密钥长度超过指定长度时, 超出部分无效. 密钥长度不足时, 会自动以`\0`补充到指定长度.

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class AES
{
    private $key;
    private $method = 'aes-128-cbc';

    public function __construct($key)
    {
        // 是否启用了openssl扩展
        extension_loaded('openssl') or die('未启用 OPENSSL 扩展');
        $this->key = $key;
    }

    public function encrypt($plaintext)
    {
        if(!in_array($this->method, openssl_get_cipher_methods()))
        {
            die('不支持该加密算法!');
        }
       // options为1, 不需要手动填充
        //$plaintext = $this->padding($plaintext);
        // 获取加密算法要求的初始化向量的长度
        $ivlen = openssl_cipher_iv_length($this->method);
        // 生成对应长度的初始化向量. aes-128模式下iv长度是16个字节, 也可以自由指定.
        $iv = openssl_random_pseudo_bytes($ivlen);
        // 加密数据
        $ciphertext = openssl_encrypt($plaintext, $this->method, $this->key, 1, $iv);
        $hmac = hash_hmac('sha256', $ciphertext, $this->key, false);

        return base64_encode($iv . $hmac . $ciphertext);
    }

    public function decrypt($ciphertext)
    {
        $ciphertext = base64_decode($ciphertext);
        $ivlen = openssl_cipher_iv_length($this->method);
        $iv = substr($ciphertext, 0, $ivlen);
        $hmac = substr($ciphertext, $ivlen, 64);
        $ciphertext = substr($ciphertext, $ivlen + 64);
        $verifyHmac = hash_hmac('sha256', $ciphertext, $this->key, false);
        if(hash_equals($hmac, $verifyHmac))
        {
            $plaintext = openssl_decrypt($ciphertext, $this->method, $this->key, 1, $iv)??false;
         // 加密时未手动填充, 不需要去填充
            //if($plaintext)
            //{
            //    $plaintext = $this->unpadding($plaintext);
            //    echo $plaintext;
            //}

            return $plaintext;
        }else
        {
            die('数据被修改!');
        }
    }

    private function padding(string $data) : string
    {
        $padding = 16 - (strlen($data) % 16);
        $chr = chr($padding);
        return $data . str_repeat($chr, $padding);
    }

    private function unpadding($ciphertext)
    {
        $chr = substr($ciphertext, -1);
        $padding = ord($chr);

        if($padding > strlen($ciphertext))
        {
            return false;
        }

        if(strspn($ciphertext, $chr, -1 * $padding, $padding) !== $padding)
        {
            return false;
        }

        return substr($ciphertext, 0, -1 * $padding);
    }
}


非对称加密函数

$res = openssl_pkey_new([array $config]) : 生成一个新的私钥和公钥对. 通过配置数组, 可以微调密钥的生成.

  • digest_alg : 摘要或签名哈希算法.
  • private_key_bits : 指定生成的私钥的长度.
  • private_key_type : 指定生成私钥的算法. 默认 OPENSSL_KEYTYPE_RSA, 可指定 OPENSSL_KEYTYPE_DSA, OPENSSL_KEYTYPE_DH, OPENSSL_KEYTYPE_RSA, OPENSSL_KEYTYPE_EC.
  • config : 自定义 openssl.conf 文件的路径.

openssl_pkey_free($res) : 释放有 openssl_pkey_new() 创建的私钥.
openssl_get_md_methods() : 获取可用的摘要算法.
openssl_pkey_export_to_file($res, $outfilename) : 将 ASCII 格式 ( PEM 编码 ) 的密钥导出到文件中. 使用相对路径时, 是相对服务器目录, 而非当前所在目录.
openssl_pkey_export($res, &$out) : 提取 PEM 格式私钥字符串.
openssl_pkey_get_details($res) : 返回包含密钥详情的数组.
openssl_get_privatekey($key) : 获取私钥. key 是一个 PEM 格式的文件或一个 PEM 格式的私钥.
openssl_get_publickey($certificate) : 获取公钥. certificate 是一个 X.509 证书资源或一个 PEM 格式的文件或一个 PEM 格式的公钥.
openssl_private_encrypt($data, &$crypted, $privKey [, $padding = OPENSSL_PKCS1_PADDING]) : 使用私钥加密数据, 并保存到 crypted . 其中填充模式为 OPENSSL_PKCS1_PADDING 时, 如果明文长度不够, 加密时会在明文中随机填充数据. 为 OPENSSL_NO_PADDING 时, 如果明文长度不够, 会在明文的头部填充 0 .
openssl_public_decrypt($crypted, &$decrypted, $pubKey [, $padding]) : 使用公钥解密数据, 并保存到 decrypted .
openssl_public_encrypt($data, &$crypted, $pubKey [, $padding]) : 使用公钥加密数据, 并保存到 crypted .
openssl_private_decrypt($crypted, &$decrypted, $privKey [, $padding]) : 使用私钥解密数据, 并保存到 decrypted .

非对称加密

RSA 也是一种分组加密方式, 但明文的分组长度根据选择的填充方式的不同而不同.

class RSA
{
    private $private_key; // 私钥
    private $public_key; // 公钥
    private $private_res; // 私钥资源
    private $public_res; // 公钥资源

    public function __construct()
    {
        extension_loaded('openssl') or die('未加载 openssl');
        // 生成新的公钥和私钥对资源
        $config = [
            'digest_alg' => 'sha256',
            'private_key_bits' => 1204,
            'private_key_type' => OPENSSL_KEYTYPE_RSA
        ];
        $res = openssl_pkey_new($config);
        if(!$res)
        {
            die('生成密钥对失败');
        }

        // 获取公钥, 生成公钥资源
        $this->public_key = openssl_pkey_get_details($res)['key'];
        $this->public_res = openssl_pkey_get_public($this->public_key);

        // 获取私钥, 生成私钥资源
        openssl_pkey_export($res, $this->private_key);
        $this->private_res = openssl_pkey_get_private($this->private_key);

        openssl_free_key($res);
    }

    // 加密
    public function encrypt($plaintext)
    {
        $ciphertext = null;
        openssl_public_encrypt($plaintext, $ciphertext, $this->public_res);
        return $ciphertext;
    }

    // 解密
    public function decrypt($ciphertext)
    {
        $plaintext = null;
        openssl_private_decrypt($ciphertext, $plaintext, $this->private_res);
        return $plaintext;
    }
}

在传输重要信息时, 一般会采用对称加密和非对称加密相结合的方式, 而非使用单一加密方式. 一般先通过 AES 加密数据, 然后通过 RSA 加密 AES 密钥, 然后将加密后的密钥和数据一起发送. 接收方接收到数据后, 先解密 AES 密钥, 然后使用解密后的密钥解密数据。


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