一. 对称加密算法介绍

对称加密方式：

• 明文通过密钥加密得到密文。
• 密文通过密钥解密得到明文。

常见的对称加密算法

• DES 数据加密标准（用得少，因为强度不够）
• 3DES 使用3个密钥，对相同的数据执行3次加密，强度增强
• AES 高级密码标准。

密码本与对称加密的区别

• 密码本与对称加密算法流程相似，却是两个不同概念
• 所有的加密算法都使用到数学原理，密码本却没有用到

对称加密的两种应用模式

• ECB（Electronic Code Book）：电子密码本模式。每一块数据，独立加密，独立解密。

对称加密-ECB模式

最基本的加密模式，也就是通常理解的加密，相同的明文将永远加密成相同的密文，无初始向量，容易受到密码本重放攻击，一般情况下很少用。

• CBC（Cipher Block Chaining）：密码分组链接模式。使用一个密钥和一个初始化向量[IV]对数据执行加密。

对称加密-CBC模式

明文被加密前要与前面的密文进行异或运算后再加密，因此只要选择不同的初始向量，相同的密文加密后会形成不同的密文，这是目前应用最广泛的模式。CBC加密后的密文是上下文相关的，但明文的错误不会传递到后续分组，但如果一个分组丢失，后面的分组将全部作废(同步错误)。
CBC可以有效的保证密文的完整性，如果一个数据块在传递时丢失或改变，后面的数据将无法正常解密。

二. 对称加密终端演示

des-ecb模式加密

$ cd /Users/wn/Documents/资料/加密
$ vi abc.txt
$ cat abc.txt
000000000000
111111111111
222222222222
000000000000
111111111111
222222222222
// 使用des-ecb模式加密 -K  表示密钥为616263，即ABC的ascii码，openssl库里面的对称加密默认加盐。msg1.bin表示二进制文件
$ openssl enc -des-ecb -K 616263 -nosalt -in abc.txt -out msg1.bin
// 查看二进制文件
$ xxd msg1.bin
00000000: d1f8 0876 7a80 0184 49ca bbb3 aab0 3fc0  ...vz...I.....?.
00000010: d037 d2e2 c336 b854 bb70 0dfa 0725 a619  .7...6.T.p...%..
00000020: 09a9 fef3 c8f1 9b92 d1f8 0876 7a80 0184  ...........vz...
00000030: 86ae 214a ff02 4f0d d037 d2e2 c336 b854  ..!J..O..7...6.T
00000040: 5fbb c6fa 6c65 a990 4fa0 e610 9da8 9c3f  _...le..O......?

// 修改abc.txt内容如下
$ cat abc.txt
000000000000
111111111111
222222222222
880000000000
111111111111
222222222222
$ openssl enc -des-ecb -K 616263 -nosalt -in abc.txt -out msg2.bin
$ xxd msg2.bin
00000000: d1f8 0876 7a80 0184 49ca bbb3 aab0 3fc0  ...vz...I.....?.
00000010: d037 d2e2 c336 b854 bb70 0dfa 0725 a619  .7...6.T.p...%..
00000020: 1087 3405 8261 0661 69c5 1db2 8613 2255  ..4..a.ai....."U
00000030: 86ae 214a ff02 4f0d d037 d2e2 c336 b854  ..!J..O..7...6.T
00000040: 5fbb c6fa 6c65 a990 4fa0 e610 9da8 9c3f  _...le..O......?

• 通过比对上面两次加密的密文二进制文件，发现中间一行的16字节内容不同
  00000020: 09a9 fef3 c8f1 9b92 d1f8 0876 7a80 0184 ...........vz...
  00000020: 1087 3405 8261 0661 69c5 1db2 8613 2255 ..4..a.ai....."U
• 这验证了des-ecb模式加密，是单个数据独立加密。同时说明des-ecb模式加密，修改两个字符，是以16字节为一个单位进行加密。
• 如果修改1个字符，最小单位是8个字节。所以DES加密过程中，最低是以8字节为一个单位进行加密。

des-cbc模式加密

$ cat abc.txt
000000000000
111111111111
222222222222
000000000000
111111111111
222222222222
// -iv ：表示向量，616263 ：加密的key，换成 ABC 也可以
$ openssl enc -des-cbc -K 616263 -iv 0102030405060708 -nosalt -in abc.txt -out msg3.bin
$ xxd msg3.bin
00000000: ca73 66ec 42d1 fcc3 a66c 7f53 0108 8981  .sf.B....l.S....
00000010: 431d 4fd7 076b caae 9158 a232 e248 6b71  C.O..k...X.2.Hkq
00000020: a9b0 f336 ee43 9b58 f026 a63f 685a b53f  ...6.C.X.&.?hZ.?
00000030: 8f53 ecc8 6094 b9e3 eb95 2106 285d 5d65  .S..`.....!.(]]e
00000040: 6887 ac17 5628 d1a1 b8a2 de4b 558b a14a  h...V(.....KU..J

// 修改abc.txt内容如下
$ cat abc.txt
000000000000
111111111111
222222222222
880000000000
111111111111
222222222222
$ openssl enc -des-cbc -K 616263 -iv 0102030405060708 -nosalt -in abc.txt -out msg4.bin
$ xxd msg4.bin
00000000: ca73 66ec 42d1 fcc3 a66c 7f53 0108 8981  .sf.B....l.S....
00000010: 431d 4fd7 076b caae 9158 a232 e248 6b71  C.O..k...X.2.Hkq
00000020: 6560 8a18 d121 1576 26bb 7811 9ac9 d586  e`...!.v&.x.....
00000030: bb81 1bd2 796a 5ea3 541d 3cb2 445c a59c  ....yj^.T.<.D\..
00000040: ed74 1437 ad52 f87d c1f7 2e3d d16a 6daf  .t.7.R.}...=.jm.

• 继续比对两次加密的密文二进制文件，发现从00000020: a9b0 f336 ee43 9b58 f026 a63f 685a b53f ...6.C.X.&.?hZ.? 00000020: 6560 8a18 d121 1576 26bb 7811 9ac9 d586 e...!.v&.x.....` 就开始不同了
• 这验证了des-cbc模式加密，是链式加密

三. 对称加密算法代码演练

在新创建的工程中导入加密工具类EncryptionTools如下

<!--EncryptionTools.h-->
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <CommonCrypto/CommonCrypto.h>

/**
 *  终端测试指令
 *
 *  DES(ECB)加密
 *  $ echo -n hello | openssl enc -des-ecb -K 616263 -nosalt | base64
 *
 *  DES(CBC)加密
 *  $ echo -n hello | openssl enc -des-cbc -iv 0102030405060708 -K 616263 -nosalt | base64
 *
 *  AES(ECB)加密
 *  $ echo -n hello | openssl enc -aes-128-ecb -K 616263 -nosalt | base64
 *
 *  AES(CBC)加密
 *  $ echo -n hello | openssl enc -aes-128-cbc -iv 0102030405060708 -K 616263 -nosalt | base64
 *
 *  DES(ECB)解密
 *  $ echo -n HQr0Oij2kbo= | base64 -D | openssl enc -des-ecb -K 616263 -nosalt -d
 *
 *  DES(CBC)解密
 *  $ echo -n alvrvb3Gz88= | base64 -D | openssl enc -des-cbc -iv 0102030405060708 -K 616263 -nosalt -d
 *
 *  AES(ECB)解密
 *  $ echo -n d1QG4T2tivoi0Kiu3NEmZQ== | base64 -D | openssl enc -aes-128-ecb -K 616263 -nosalt -d
 *
 *  AES(CBC)解密
 *  $ echo -n u3W/N816uzFpcg6pZ+kbdg== | base64 -D | openssl enc -aes-128-cbc -iv 0102030405060708 -K 616263 -nosalt -d
 *
 *  提示：
 *      1> 加密过程是先加密，再base64编码
 *      2> 解密过程是先base64解码，再解密
 */
@interface EncryptionTools : NSObject
    
+ (instancetype)sharedEncryptionTools;
    
    /**
     @constant   kCCAlgorithmAES     高级加密标准，128位(默认)
     @constant   kCCAlgorithmDES     数据加密标准
     */
    @property (nonatomic, assign) uint32_t algorithm;
    
    /**
     *  加密字符串并返回base64编码字符串
     *
     *  @param string    要加密的字符串
     *  @param keyString 加密密钥
     *  @param iv        初始化向量(8个字节)
     *
     *  @return 返回加密后的base64编码字符串
     */
- (NSString *)encryptString:(NSString *)string keyString:(NSString *)keyString iv:(NSData *)iv;
    
    /**
     *  解密字符串
     *
     *  @param string    加密并base64编码后的字符串
     *  @param keyString 解密密钥
     *  @param iv        初始化向量(8个字节)
     *
     *  @return 返回解密后的字符串
     */
- (NSString *)decryptString:(NSString *)string keyString:(NSString *)keyString iv:(NSData *)iv;
@end

<!--EncryptionTools.m-->
#import "EncryptionTools.h"

@interface EncryptionTools()
    @property (nonatomic, assign) int keySize;
    @property (nonatomic, assign) int blockSize;
    @end

@implementation EncryptionTools
    
+ (instancetype)sharedEncryptionTools {
    static EncryptionTools *instance;
    
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        instance = [[self alloc] init];
        instance.algorithm = kCCAlgorithmAES;
    });
    
    return instance;
}
    
- (void)setAlgorithm:(uint32_t)algorithm {
    _algorithm = algorithm;
    switch (algorithm) {
        case kCCAlgorithmAES:
        self.keySize = kCCKeySizeAES128;
        self.blockSize = kCCBlockSizeAES128;
        break;
        case kCCAlgorithmDES:
        self.keySize = kCCKeySizeDES;
        self.blockSize = kCCBlockSizeDES;
        break;
        default:
        break;
    }
}
    
- (NSString *)encryptString:(NSString *)string keyString:(NSString *)keyString iv:(NSData *)iv {
    
    
    // 设置秘钥
    NSData *keyData = [keyString dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    uint8_t cKey[self.keySize];
    bzero(cKey, sizeof(cKey));
    [keyData getBytes:cKey length:self.keySize];
    
    // 设置iv
    uint8_t cIv[self.blockSize];
    bzero(cIv, self.blockSize);
    int option = 0;
    if (iv) {
        [iv getBytes:cIv length:self.blockSize];
        option = kCCOptionPKCS7Padding;
    } else {
        /**
         kCCOptionPKCS7Padding | kCCOptionECBMode  ECB 的模式
         kCCOptionPKCS7Padding                     CBC 的加密
         */
        option = kCCOptionPKCS7Padding | kCCOptionECBMode;
    }
    
    // 设置输出缓冲区
    NSData *data = [string dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    size_t bufferSize = [data length] + self.blockSize;
    void *buffer = malloc(bufferSize);
    
    // 开始加密
    size_t encryptedSize = 0;
    //加密解密都是它 -- CCCrypt
    
    /**
     1.kCCEncrypt 加密/kCCDecrypt解密
     2.加密算法
     3.加密选项  ECB/CBC
     4.KEY 的地址
     5.KEY 的长度
     6.iv 初始化向量
     7.加密的数据(地址)
     8.加密的数据长度
     9.密文的内存地址
     10.密文缓冲区的大小
     11.数据的指针（加密结果大小）
     */
    CCCryptorStatus cryptStatus = CCCrypt(kCCEncrypt,
                                          self.algorithm,
                                          option,
                                          cKey,
                                          self.keySize,
                                          cIv,
                                          [data bytes],
                                          [data length],
                                          buffer,
                                          bufferSize,
                                          &encryptedSize);
    
    NSData *result = nil;
    if (cryptStatus == kCCSuccess) {
        result = [NSData dataWithBytesNoCopy:buffer length:encryptedSize];
    } else {
        free(buffer);
        NSLog(@"[错误] 加密失败|状态编码: %d", cryptStatus);
    }
    
    return [result base64EncodedStringWithOptions:0];
}
    
- (NSString *)decryptString:(NSString *)string keyString:(NSString *)keyString iv:(NSData *)iv {
    
    // 设置秘钥
    NSData *keyData = [keyString dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    uint8_t cKey[self.keySize];
    bzero(cKey, sizeof(cKey));
    [keyData getBytes:cKey length:self.keySize];
    
    // 设置iv
    uint8_t cIv[self.blockSize];
    bzero(cIv, self.blockSize);
    int option = 0;
    if (iv) {
        [iv getBytes:cIv length:self.blockSize];
        option = kCCOptionPKCS7Padding;
    } else {
        option = kCCOptionPKCS7Padding | kCCOptionECBMode;
    }
    
    // 设置输出缓冲区
    NSData *data = [[NSData alloc] initWithBase64EncodedString:string options:0];
    size_t bufferSize = [data length] + self.blockSize;
    void *buffer = malloc(bufferSize);
    
    // 开始解密
    size_t decryptedSize = 0;
    CCCryptorStatus cryptStatus = CCCrypt(kCCDecrypt,
                                          self.algorithm,
                                          option,
                                          cKey,
                                          self.keySize,
                                          cIv,
                                          [data bytes],
                                          [data length],
                                          buffer,
                                          bufferSize,
                                          &decryptedSize);
    
    NSData *result = nil;
    if (cryptStatus == kCCSuccess) {
        // 加密/解密成功，不用释放buffer，因为需要返回出去
        result = [NSData dataWithBytesNoCopy:buffer length:decryptedSize];
    } else {
        // 上面malloc了一块区域，加密/解密失败需要释放掉
        free(buffer);
        NSLog(@"[错误] 解密失败|状态编码: %d", cryptStatus);
    }
    
    return [[NSString alloc] initWithData:result encoding:NSUTF8StringEncoding];
}
@end

主要是通过系统方法CCCrypt实现，其中涉及11个参数，分别是 1.kCCEncrypt 加密/kCCDecrypt解密 2.加密算法 3.加密选项 ECB/CBC 4.KEY 的地址 5.KEY 的长度 6.iv 初始化向量 7.加密的数据(地址) 8.加密的数据长度 9.密文的内存地址 10.密文缓冲区的大小 11.数据的指针（加密结果大小）
安全隐患：使用系统函数同样有数据泄漏的风险

AES - ECB加密

- (void)testEnc{
    NSString *key = @"abc";
    NSString *encStr = [[EncryptionTools sharedEncryptionTools] encryptString:@"hello" keyString:key iv:nil];
    NSLog(@"AES - ECB加密 : %@", encStr);
}

<!--运行结果-->
AES - ECB加密 : d1QG4T2tivoi0Kiu3NEmZQ==

<!--终端命令-->
// 将hello作为参数传递给后面进行一次加密，以base64编码输出
$ echo -n hello | openssl enc -aes-128-ecb -K 616263 -nosalt | base64
//与程序运行结果是一样的
d1QG4T2tivoi0Kiu3NEmZQ==

// 使用des-ecb加密方式，强度明显弱于aes-ecb加密
$ echo -n hello | openssl enc -des-ecb -K 616263 -nosalt | base64
HQr0Oij2kbo=

// aes-ecb解密，%是字符输出的占位符
$ echo -n d1QG4T2tivoi0Kiu3NEmZQ== | base64 -D | openssl enc -aes-128-ecb -K 616263 -nosalt -d
hello%

AES - CBC加密

- (void)testEnc{
    uint8_t iv[8] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8};
    NSData *ivData = [NSData dataWithBytes:iv length:sizeof(iv)];
    NSString *key = @"abc";
    //加密
    NSString *encStr = [[EncryptionTools sharedEncryptionTools] encryptString:@"hello" keyString:key iv:ivData];
    
    //解密
    NSString * decStr = [[EncryptionTools sharedEncryptionTools] decryptString:encStr keyString:key iv:ivData];
    NSLog(@"AES - CBC加密 : %@", encStr);
    NSLog(@"AES - CBC解密  : %@", decStr);
}
//打印结果
AES - CBC加密  : u3W/N816uzFpcg6pZ+kbdg==
AES - CBC解密  : hello

<!--终端命令-->
$ echo -n hello | openssl enc -aes-128-cbc -K 616263 -iv 0102030405060708 -nosalt | base64
u3W/N816uzFpcg6pZ+kbdg==

$ echo -n u3W/N816uzFpcg6pZ+kbdg== | base64 -D |openssl enc -aes-128-cbc -K 616263 -iv 0102030405060708 -nosalt -d
hello%

注意：如果想知道某一个key的16进制，如上面使用的密钥abc，终端使用的616263，可以把创建一个txt文件内容为abc，终端使用命令xxd test.txt即可查到16进制数据

调试CCCrypt

我们通过断点调试来说明其安全隐患，添加符号断点，真机运行程序

image.png

通过寄存器获取参数，发现hello 是明文，这是非常不安全的

image.png

改进方案

• 在系统函数之上做一层封装，例如 使用按位异或（最简单的封装，效率高，简单）
  加密：传入string时，做一次按位异或运算
  解密：先解密，再按位异或
• 方法名混淆 - 即方法名不变，但打包上架后进行了一系列的变化