分组密码的模式AES-CBC模式流程解析附：应用代码实现

CBC模式：Cipher Block Chaining mode(密码分组链接模式)

CBC模式的加解密

CBC模式中，首先将明文分组与前一个密文分组进行XOR运算，然后再进行加密。密文分组像链条一样相互连接在一起。

CBC模式的加密流程图

在这里插入图片描述

CBC模式的解密流程图

在这里插入图片描述

将一个分组的加密过程分离出来，对ECB模式和CBC模式进行比较，ECB模式只进行了加密，而CBC模式则在加密之前进行了一次XOR。

ECB模式与CBC模式的比较

在这里插入图片描述

初始化向量

当加密第一个明文分组时，由于不存在”前一个密文分组“，因此需要事先准备一个长度为一个分组的比特序列来替代”前一个密文分组“，这个比特序列称为初始化向量，通常缩写为IV。通常，每次加密时都会随机产生一个不同的比特序列来作为初始化向量。

注：在UDS 27hex服务中不同的初始化向量可以代表着不同的解锁等级。

应用代码：演示加密和解密过程。

/*** @file mainCBC.c* @author jimu (minijimu@foxmail.com)* @brief * @version 0.1* @date 2024-09-02* * @addtogroup 《图解密技术-第3版》* @copyright Copyright (c) 2024* */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "aes.h"// 假设我们有一个密钥和一个初始化向量（IV）
uint8_t key[AES_KEYLEN] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F, 0x10};
uint8_t iv[AES_BLOCKLEN] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F, 0x10};// 加密函数
void encrypt(uint8_t *plaintext, uint8_t *ciphertext, size_t length)
{uint8_t *padded_text = (uint8_t *)malloc(length);memset(padded_text, 0, length);memcpy(padded_text, plaintext, length);AES_ctx ctx;AES_init_ctx_iv(&ctx, key, iv);if (length % AES_BLOCKLEN != 0){printf("Error: Plaintext length must be a multiple of AES block size.\n");exit(1);}AES_CBC_encrypt_buffer(&ctx, padded_text, length);memcpy(ciphertext, padded_text, length);free(padded_text);
}// 解密函数
void decrypt(uint8_t *ciphertext, uint8_t *decryptedtext, size_t length)
{AES_ctx ctx;AES_init_ctx_iv(&ctx, key, iv);if (length % AES_BLOCKLEN != 0){printf("Error: Ciphertext length must be a multiple of AES block size.\n");exit(1);}AES_CBC_decrypt_buffer(&ctx, ciphertext, length);memcpy(decryptedtext, ciphertext, length);
}int main()
{// 假设我们有一个明文消息const uint8_t plaintext[] = {0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77, 0x88, 0x99, 0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF, 0x00};size_t plaintext_len = sizeof(plaintext);// 虽然plaintext_len 是 AES_BLOCKLEN 的倍数，但是在加密和解密之前，我们需要确保 plaintext_len 是 AES_BLOCKLEN 的倍数。// 当前可认为是无填充模式。if (plaintext_len % AES_BLOCKLEN != 0){plaintext_len = (plaintext_len / AES_BLOCKLEN + 1) * AES_BLOCKLEN;}// 为密文和明文缓冲区分配内存uint8_t *ciphertext = (uint8_t *)malloc(plaintext_len);uint8_t *decryptedtext = (uint8_t *)malloc(plaintext_len);printf("IV: ");for (size_t i = 0; i < AES_BLOCKLEN; i++){printf("%02x", iv[i]);}printf("\n");printf("plaintext: ");for (size_t i = 0; i < sizeof(plaintext); i++){printf("%02x", plaintext[i]);}printf("\n");// 加密encrypt((uint8_t *)plaintext, ciphertext, plaintext_len);// 打印密文printf("Ciphertext text:");for (size_t i = 0; i < plaintext_len; i++){printf("%02x", ciphertext[i]);}printf("\n");// 解密decrypt(ciphertext, decryptedtext, plaintext_len);// 打印解密后的明文// printf("Decrypted text: %s\n", decryptedtext);printf("Decrypted text: ");for (size_t i = 0; i < plaintext_len; i++){printf("%02x", decryptedtext[i]);}printf("\n");// 使用 memcmp 比较原始明文和解密后的文本if (memcmp(plaintext, decryptedtext, plaintext_len) == 0){printf("Decryption successful!\n");}else{printf("Decryption failed!\n");}// 释放内存free(ciphertext);free(decryptedtext);getchar();return 0;
}

对比代码加密和工具加密的结果

对比代码加密和工具加密的结果

代码简述

定义明文 plaintext 和其长度 plaintext_len。
确保 plaintext_len 是 AES 块大小的倍数。
分配内存用于存储密文和解密后的明文。
打印初始化向量（IV）和明文。
调用 encrypt 函数加密明文。
打印密文。
调用 decrypt 函数解密密文。
打印解密后的明文。
比较原始明文和解密后的明文，确认解密成功。
释放内存。

CBC模式应用场景

文件加密 ：CBC 模式适合于加密静态文件，如备份文件或存储在硬盘上的数据。
通信加密 ：在网络通信中，CBC 模式可用于加密数据包，尤其是在需要确保数据块间相关性的场景下。
数据库加密 ：在数据库中存储敏感信息时，可以使用 CBC 模式来加密记录或字段。

实际应用注意事项

IV 的管理 ：IV 应该是随机的，并且对于每个加密操作都是唯一的。IV 需要与密文一起存储或传输，以便解密时使用。
填充机制 ：选择合适的填充机制，并确保解密时正确去除填充。
完整性检查 ：单独使用 CBC 模式无法提供数据完整性验证。通常需要结合 MAC（Message Authentication Code）或数字签名来确保数据的完整性和真实性。
并且对于每个加密操作都是唯一的。IV 需要与密文一起存储或传输，以便解密时使用。
填充机制 ：选择合适的填充机制，并确保解密时正确去除填充。
完整性检查 ：单独使用 CBC 模式无法提供数据完整性验证。通常需要结合 MAC（Message Authentication Code）或数字签名来确保数据的完整性和真实性。