openssl 下的對稱加密和非對稱加密

對稱加密: 在加密和解密過程中使用相同的密鑰, 或是兩個可以簡單地相互推算的密鑰的加密算法.

非對稱加密: 也稱為公開加密, 它需要一個密鑰對, 一個是公鑰, 一個是私鑰, 一個負責加密, 一個負責解密.

對稱加密在性能上要優於非對稱加密, 但是安全性低於非對稱加密.

PHP 7.1 之后的對稱加密和非對稱加密都需要借助 openssl 擴展實現. mcrypt 庫已經被移除.

對稱加密函數

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 和密鑰 key 加密 data, 返回 false 或加密后的數據.

• data : 明文
• method : 加密算法
• key : 密鑰
• options :
•  0 : 自動對明文進行 padding, 返回的數據經過 base64 編碼.
• 1 : OPENSSL_RAW_DATA, 自動對明文進行 padding, 但返回的結果未經過 base64 編碼.
• 2 : OPENSSL_ZERO_PADDING, 自動對明文進行 0 填充, 返回的結果經過 base64 編碼. 但是, openssl 不推薦 0 填充的方式, 即使選擇此項也不會自動進行 padding, 仍需手動 padding.
• iv : 非空的初始化向量, 不使用此項會拋出一個警告. 如果未進行手動填充, 則返回加密失敗.

openssl_decrypt($data, $method, $key, $options = 0, $iv = '') : 解密數據.
openssl_cipher_iv_length($method) : 獲取 method 要求的初始化向量的長度.
openssl_random_pseudo_bytes($length) : 生成指定長度的偽隨機字符串.
hash_mac($method, $data, $key, $raw_out) : 生成帶有密鑰的哈希值.

• method : 加密算法
• data : 明文
• key : 密鑰
• raw_output :
  • TRUE : 輸出原始二進制數據
  • FALSE : 輸出長度固定的小寫 16 進制字符串

對稱加密

參考文章:
1. https://blog.csdn.net/qq_28205153/article/details/55798628
2. https://www.xxling.com/blog/article/3114.aspx

主流的對稱加密方式有 DES, AES. 這兩種加密方式都屬於分組加密, 先將明文分成多個等長的模塊 ( block ), 然后進行加密.

DES 加密

DES 加密的密鑰長度為 64 bit, 實際應用中有效使用的是 56 位, 剩余 8 位作為奇偶校驗位. 如果密鑰長度不足 8 個字節, 將會使用 \0 補充到 8 個字節. 如密鑰為 "12345", 其加密后的密文與密鑰 "12345\0\0\0" 加密后的密文相同. 明文按 64 bit ( UTF-8 下為 8 個字節長度 ) 進行分組, 每 64 位分成一組 ( 最后一組不足 64 位的需要填充數據 ), 分組后的明文組和密鑰按位替代或交換的方法形成密文組.

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

    public function __construct($key)
    {
        // 密鑰長度不能超過64bit(UTF-8下為8個字符長度),超過64bit不會影響程序運行,但有效使用的部分只有64bit,多余部分無效,可通過openssl_error_string()查看錯誤提示
        $this->key = $key;
    }

    public function encrypt($plaintext)
    {
        // 生成加密所需的初始化向量, 加密時缺失iv會拋出一個警告
        $ivlen = openssl_cipher_iv_length($this->method);
        $iv = openssl_random_pseudo_bytes($ivlen);

        // 按64bit一組填充明文
        //$plaintext = $this->padding($plaintext);
        // 加密數據. 如果options參數為0, 則不再需要上述的填充操作. 如果options參數為1, 也不需要上述的填充操作, 但是返回的密文未經過base64編碼. 如果options參數為2, 雖然PHP說明是自動0填充, 但實際未進行填充, 必須需要上述的填充操作進行手動填充. 上述手動填充的結果和options為0和1是自動填充的結果相同.
        $ciphertext = openssl_encrypt($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);
        // 從密文中獲取iv
        $ivlen = openssl_cipher_iv_length($this->method);
        $iv = substr($ciphertext, 0, $ivlen);
        // 從密文中獲取hash
        $hash = substr($ciphertext, $ivlen, 64);
        // 獲取原始密文
        $ciphertext = substr($ciphertext, $ivlen + 64);
        // hash校驗
        if(hash_equals($hash, hash_hmac('sha256', $ciphertext, $this->key, false)))
        {
            // 解密數據
            $plaintext = openssl_decrypt($ciphertext, $this->method, $this->key, 1, $iv) ?? false;
            // 去除填充數據. 加密時進行了填充才需要去填充
            $plaintext = $plaintext? $this->unpadding($plaintext) : false;

            return $plaintext;
        }

        return '解密失敗';
    }

    // 按64bit一組填充數據
    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 加密的分組長度是 128 位, 即每個分組為 16 個字節 ( 每個字節 8 位 ). 密鑰的長度根據加密方式的不同可以是 128 位, 192 位, 256 位. 與 DES 加密一樣. 密鑰長度超過指定長度時, 超出部分無效. 密鑰長度不足時, 會自動以`\0`補充到指定長度.

AES	密鑰長度 ( 位 )	分組長度 ( 位 )
AES-128	128	128
AES-192	192	128
AES-256	256	128

 

 

 

 

 

 

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

    public function __construct($key)
    {
        // 是否啟用了openssl擴展
        extension_loaded('openssl') or die('未啟用 OPENSSL 擴展');
        $this->key = $key;
    }

    public function encrypt($plaintext)
    {
        if(!in_array($this->method, openssl_get_cipher_methods()))
        {
            die('不支持該加密算法!');
        }
　　　　　　 // options為1, 不需要手動填充
        //$plaintext = $this->padding($plaintext);
        // 獲取加密算法要求的初始化向量的長度
        $ivlen = openssl_cipher_iv_length($this->method);
        // 生成對應長度的初始化向量. aes-128模式下iv長度是16個字節, 也可以自由指定.
        $iv = openssl_random_pseudo_bytes($ivlen);
        // 加密數據
        $ciphertext = openssl_encrypt($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, $iv)??false;
　　　　　　　　　// 加密時未手動填充, 不需要去填充
            //if($plaintext)
            //{
            //    $plaintext = $this->unpadding($plaintext);
            //    echo $plaintext;
            //}

            return $plaintext;
        }else
        {
            die('數據被修改!');
        }
    }

    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);
    }
}

 

非對稱加密函數

$res = openssl_pkey_new([array $config]) : 生成一個新的私鑰和公鑰對. 通過配置數組, 可以微調密鑰的生成.

• digest_alg : 摘要或簽名哈希算法.
• private_key_bits : 指定生成的私鑰的長度.
• private_key_type : 指定生成私鑰的算法. 默認 OPENSSL_KEYTYPE_RSA, 可指定 OPENSSL_KEYTYPE_DSA, OPENSSL_KEYTYPE_DH, OPENSSL_KEYTYPE_RSA, OPENSSL_KEYTYPE_EC.
• config : 自定義 openssl.conf 文件的路徑.

openssl_pkey_free($res) : 釋放有 openssl_pkey_new() 創建的私鑰.
openssl_get_md_methods() : 獲取可用的摘要算法.
openssl_pkey_export_to_file($res, $outfilename) : 將 ASCII 格式 ( PEM 編碼 ) 的密鑰導出到文件中. 使用相對路徑時, 是相對服務器目錄, 而非當前所在目錄.
openssl_pkey_export($res, &$out) : 提取 PEM 格式私鑰字符串.
openssl_pkey_get_details($res) : 返回包含密鑰詳情的數組.
openssl_get_privatekey($key) : 獲取私鑰. key 是一個 PEM 格式的文件或一個 PEM 格式的私鑰.
openssl_get_publickey($certificate) : 獲取公鑰. certificate 是一個 X.509 證書資源或一個 PEM 格式的文件或一個 PEM 格式的公鑰.
openssl_private_encrypt($data, &$crypted, $privKey [, $padding = OPENSSL_PKCS1_PADDING]) : 使用私鑰加密數據, 並保存到 crypted . 其中填充模式為 OPENSSL_PKCS1_PADDING 時, 如果明文長度不夠, 加密時會在明文中隨機填充數據. 為 OPENSSL_NO_PADDING 時, 如果明文長度不夠, 會在明文的頭部填充 0 .
openssl_public_decrypt($crypted, &$decrypted, $pubKey [, $padding]) : 使用公鑰解密數據, 並保存到 decrypted .
openssl_public_encrypt($data, &$crypted, $pubKey [, $padding]) : 使用公鑰加密數據, 並保存到 crypted .
openssl_private_decrypt($crypted, &$decrypted, $privKey [, $padding]) : 使用私鑰解密數據, 並保存到 decrypted .

非對稱加密

RSA 也是一種分組加密方式, 但明文的分組長度根據選擇的填充方式的不同而不同.

class RSA
{
    private $private_key; // 私鑰
    private $public_key; // 公鑰
    private $private_res; // 私鑰資源
    private $public_res; // 公鑰資源

    public function __construct()
    {
        extension_loaded('openssl') or die('未加載 openssl');
        // 生成新的公鑰和私鑰對資源
        $config = [
            'digest_alg' => 'sha256',
            'private_key_bits' => 1204,
            'private_key_type' => OPENSSL_KEYTYPE_RSA
        ];
        $res = openssl_pkey_new($config);
        if(!$res)
        {
            die('生成密鑰對失敗');
        }

        // 獲取公鑰, 生成公鑰資源
        $this->public_key = openssl_pkey_get_details($res)['key'];
        $this->public_res = openssl_pkey_get_public($this->public_key);

        // 獲取私鑰, 生成私鑰資源
        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;
    }
}

在傳輸重要信息時, 一般會采用對稱加密和非對稱加密相結合的方式, 而非使用單一加密方式. 一般先通過 AES 加密數據, 然后通過 RSA 加密 AES 密鑰, 然后將加密后的密鑰和數據一起發送. 接收方接收到數據后, 先解密 AES 密鑰, 然后使用解密后的密鑰解密數據.