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。
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