Practice of Symmetric-Key Alg

  上篇罗列了常用的算法，这篇趁热打铁实践下对称算法怎么在openssl里怎么用。

Generation of Secret Key

  使用对称加解密算法首先是要生成密钥。一般都会用随机数生成器来产生一串随机数作为密钥，当然也可以通过KDF从已经存在的密钥衍生出新的密钥。

在嵌入式系统中，密钥可以离线生成，也可以利用SoC自身的TRNG硬件模块在线生成。对于离线生成的密钥一定要从流程上防止暴露的可能性，重点关注密钥注入SoC的流程。密钥在SoC中一般保存在只有高安子系统才能访问或者解密的存储介质上，比如OTP或者Secure Storage。

  在本例中，直接从/dev/uramdom产生密钥。另外有些工作模式需要IV，也用urandom生成。

dd if=/dev/urandom of=sk bs=16 count=1
dd if=/dev/urandom of=iv bs=16 count=1

Encryption

  本文中分别用AES和SM4配合几种工作模式在openssl中加密数据。

为了直观的显示某些加密特性，本例中选用了图片作为操作的原始数据。图片的几个要求为：

1. 格式为BMP
2. BMP中每个pix所占长度应为分组长度的公约数，本例中为8 bits (图片稍有失真)
3. 加解密应忽略header

  原始图片为：

  用AES 128 ECB加密：

openssl enc -aes-128-ecb -e -in example.data.bmp -out example.aes_128_ecb.data.bmp -K $(xxd -ps sk) 

  加密后图片显示：

  用SM4 ECB加密（密钥相同）：

openssl enc -sm4-ecb -e -in example.data.bmp -out example.sm4_ecb.data.bmp -K $(xxd -ps sk) 

  加密后图片显示：

  从显示图片可以看出，经过用ecb模式处理后，数据虽然被加密，但是大致轮廓还清晰可见，hacker可能通过明文和密文的对比，猜出大致的内容。所以ecb模式虽然快，但是相对容易被破解。对security要求比较高的应该采用其他工作模式。

  其他模式的机密命令如下：

// aes 128 ctr
openssl enc -aes-128-ctr -e -in example.data.bmp -out example.aes_128_ctr.data.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// aes 128 cbc
openssl enc -aes-128-cbc -e -in example.data.bmp -out example.aes_128_cbc.data.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// aes 128 ofb
openssl enc -aes-128-ofb -e -in example.data.bmp -out example.aes_128_ofb.data.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// aes 128 cfb
openssl enc -aes-128-cfb -e -in example.data.bmp -out example.aes_128_cfb.data.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// sm4 ctr
openssl enc -sm4-ctr -e -in example.data.bmp -out example.sm4_ctr.data.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// sm4 cbc
openssl enc -sm4-cbc -e -in example.data.bmp -out example.sm4_cbc.data.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// sm4 ofb
openssl enc -sm4-ofb -e -in example.data.bmp -out example.sm4_ofb.data.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// sm4 cfb
openssl enc -sm4-cfb -e -in example.data.bmp -out example.sm4_cfb.data.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 

  这里任选一张加密后图片，可以看出，加密数据基本无序化。

Decryption

  解密比较简单，基本上格式都差不多，命令如下：

// aes 128 ecb
openssl enc -aes-128-ecb -d -in example.aes_128_ecb.data.bmp -out example.aes_128_ecb.pdata.bmp -K $(xxd -ps sk)
// aes 128 ctr
openssl enc -aes-128-ctr -d -in example.aes_128_ctr.data.bmp -out example.aes_128_ctr.pdata.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// aes 128 cbc
openssl enc -aes-128-cbc -d -in example.aes_128_cbc.data.bmp -out example.aes_128_cbc.pdata.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// aes 128 ofb
openssl enc -aes-128-ofb -d -in example.aes_128_ofb.data.bmp -out example.aes_128_ofb.pdata.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// aes 128 cfb
openssl enc -aes-128-cfb -d -in example.aes_128_cfb.data.bmp -out example.aes_128_cfb.pdata.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// sm4 ecb
openssl enc -sm4-ecb -d -in example.sm4_ecb.data.bmp -out example.sm4_ecb.pdata.bmp -K $(xxd -ps sk) 
// sm4 ctr
openssl enc -sm4-ctr -d -in example.sm4_ctr.data.bmp -out example.sm4_ctr.pdata.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// sm4 cbc
openssl enc -sm4-cbc -d -in example.sm4_cbc.data.bmp -out example.sm4_cbc.pdata.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// sm4 ofb
openssl enc -sm4-ofb -d -in example.sm4_ofb.data.bmp -out example.sm4_ofb.pdata.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 
// sm4 cfb
openssl enc -sm4-cfb -d -in example.sm4_cfb.data.bmp -out example.sm4_cfb.pdata.bmp -K $(xxd -ps sk) -iv $(xxd -ps iv) 

  最后补一张表，对照Brief of Cryptography Algorithm里的图来理解。

Work Mode	Encryption Parallelizable	Decryption Parallelizable	Random Read Access
ECB	Yes	Yes	Yes
CTR	Yes	Yes	Yes
CBC	No	Yes	Yes
PCBC	No	No	No
OFB	No	No	No
CFB	No	Yes	Yes
GSM	Yes	Yes	Yes