CryptoSwift实战：数据填充与AEAD加密-优快云博客

CryptoSwift实战：数据填充与AEAD加密

【免费下载链接】CryptoSwift CryptoSwift is a growing collection of standard and secure cryptographic algorithms implemented in Swift 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cr/CryptoSwift

本文深入探讨了CryptoSwift密码学库中的数据填充方案与认证加密实现。首先详细解析了PKCS#5/PKCS#7填充机制的核心原理与实现架构，包括填充添加和移除的具体算法；接着对比分析了ZeroPadding、ISO78164Padding和ISO10126Padding三种填充方案的特性与适用场景；最后重点介绍了ChaCha20-Poly1305和XChaCha20两种现代AEAD加密算法，涵盖其加密原理、CryptoSwift实现细节、性能特征以及实际应用示例，为开发者提供全面的加密实战指南。

PKCS#5、PKCS#7填充方案实现

在CryptoSwift密码学库中，PKCS（Public Key Cryptography Standards）填充方案是实现块密码算法时不可或缺的重要组成部分。PKCS#5和PKCS#7填充方案虽然名称不同，但在实际实现中具有相同的填充机制，主要区别在于支持的块大小范围。

PKCS填充方案的核心原理

PKCS填充方案采用一种简单而有效的填充策略：在数据末尾添加N个字节，每个字节的值都是N，其中N是需要填充的字节数。这种设计使得在解密时可以轻松识别并移除填充。

mermaid

CryptoSwift中的实现架构

CryptoSwift通过统一的PaddingProtocol协议来抽象所有填充方案，PKCS#7填充作为具体实现：

public protocol PaddingProtocol {
    func add(to: Array<UInt8>, blockSize: Int) -> Array<UInt8>
    func remove(from: Array<UInt8>, blockSize: Int?) -> Array<UInt8>
}

struct PKCS7Padding: PaddingProtocol {
    // 具体实现...
}

PKCS#7填充实现详解

添加填充的实现

@inlinable
func add(to bytes: Array<UInt8>, blockSize: Int) -> Array<UInt8> {
    let padding = UInt8(blockSize - (bytes.count % blockSize))
    return bytes + Array<UInt8>(repeating: padding, count: Int(padding))
}

这个实现的关键点：

计算需要填充的字节数：blockSize - (bytes.count % blockSize)
创建填充字节数组，每个字节的值等于填充长度
将填充字节附加到原始数据末尾

移除填充的实现

@inlinable
func remove(from bytes: Array<UInt8>, blockSize _: Int?) -> Array<UInt8> {
    guard !bytes.isEmpty, let lastByte = bytes.last else {
        return bytes
    }

    let padding = Int(lastByte)
    let finalLength = bytes.count - padding

    if finalLength < 0 {
        return bytes
    }

    if padding >= 1 {
        return Array(bytes[0..<finalLength])
    }
    return bytes
}

移除填充的逻辑：

检查数据是否为空
获取最后一个字节的值作为填充长度
计算移除填充后的数据长度
验证填充长度的有效性
返回去除填充的原始数据

PKCS#5与PKCS#7的关系

在CryptoSwift中，PKCS#5实际上是PKCS#7的别名：

public enum PKCS5 {
    typealias Padding = PKCS7Padding
}

这种设计基于以下考虑：

PKCS#5原本设计用于8字节块大小（如DES）
PKCS#7扩展支持1-255字节的块大小
在现代密码学中，两者使用相同的填充机制

使用示例与测试用例

基本使用示例

// 使用PKCS7填充
let data: [UInt8] = [1, 2, 3, 4, 5]
let paddedData = PKCS7.Padding().add(to: data, blockSize: 8)
// 结果: [1, 2, 3, 4, 5, 3, 3, 3]

// 移除填充
let originalData = PKCS7.Padding().remove(from: paddedData, blockSize: nil)
// 结果: [1, 2, 3, 4, 5]

测试用例分析

从项目的测试代码可以看到各种边界情况的处理：

func testPKCS7_0() {
    let input: Array<UInt8> = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6]
    let expected: Array<UInt8> = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 
                                  16, 16, 16, 16, 16, 16, 16, 16, 16, 16, 16, 16, 16, 16, 16, 16]
    // 测试完整块的情况
}

填充方案比较表

特性	PKCS#7	ZeroPadding	NoPadding
填充字节值	填充长度	0x00	无填充
支持任意块大小	✅	✅	✅
自动填充检测	✅	❌	❌
数据完整性验证	✅	❌	❌
适用场景	通用块密码	特定协议	流密码

在实际加密中的集成

PKCS填充方案与加密算法的紧密集成：

public init(key: Array<UInt8>, blockMode: BlockMode, padding: Padding = .pkcs7) throws {
    self.key = Key(bytes: key)
    self.blockMode = blockMode
    self.padding = padding
    // ... 其他初始化逻辑
}

在AES加密过程中，填充方案在加密前自动应用，在解密后自动移除，为开发者提供了无缝的加密体验。

安全注意事项

填充预言攻击防护：虽然PKCS填充本身不提供加密，但需要与认证加密模式结合使用
填充验证：实现中包含了对无效填充值的检查和处理
边界情况处理：正确处理空数据和无效填充长度的情况

通过CryptoSwift的PKCS填充实现，开发者可以轻松地为各种块密码算法添加标准化的数据填充功能，确保数据符合块大小的要求，同时保持与现有密码学标准的兼容性。

ZeroPadding与ISO标准填充

在CryptoSwift中，数据填充是块加密算法中不可或缺的重要环节。当数据长度不是块大小的整数倍时，需要通过填充机制来确保数据能够被正确加密和解密。CryptoSwift提供了多种填充方案，其中ZeroPadding、ISO78164Padding和ISO10126Padding是三种常用的标准填充方法。

ZeroPadding（零填充）

ZeroPadding是最简单的填充方案，它通过在数据末尾添加零字节来使数据长度达到块大小的整数倍。

实现原理

struct ZeroPadding: PaddingProtocol {
  @inlinable
  func add(to bytes: Array<UInt8>, blockSize: Int) -> Array<UInt8> {
    let paddingCount = blockSize - (bytes.count % blockSize)
    if paddingCount > 0 {
      return bytes + Array<UInt8>(repeating: 0, count: paddingCount)
    }
    return bytes
  }

  @inlinable
  func remove(from bytes: Array<UInt8>, blockSize _: Int?) -> Array<UInt8> {
    for (idx, value) in bytes.reversed().enumerated() {
      if value != 0 {
        return Array(bytes[0..<bytes.count - idx])
      }
    }
    return bytes
  }
}

使用示例

import CryptoSwift

// 创建ZeroPadding实例
let zeroPadding = ZeroPadding()

// 原始数据
let originalData: [UInt8] = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

// 添加填充（块大小为16字节）
let paddedData = zeroPadding.add(to: originalData, blockSize: 16)
// 结果: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

// 移除填充
let cleanedData = zeroPadding.remove(from: paddedData, blockSize: 16)
// 结果: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

特点与注意事项

简单易用：实现逻辑简单，计算开销小
不可逆性风险：如果原始数据本身以零字节结尾，移除填充时可能无法准确识别原始数据的结束位置
适用场景：适用于已知数据不会以零字节结尾的场景，或者对安全性要求不高的应用

ISO78164Padding

ISO78164Padding是基于ISO/IEC 7816-4标准的填充方案，主要用于智能卡应用领域。

实现原理

struct ISO78164Padding: PaddingProtocol {
  @inlinable
  func add(to bytes: Array<UInt8>, blockSize: Int) -> Array<UInt8> {
    var padded = Array(bytes)
    padded.append(0x80)  // 添加标记字节
    
    while (padded.count % blockSize) != 0 {
      padded.append(0x00) // 填充零字节
    }
    return padded
  }

  @inlinable
  func remove(from bytes: Array<UInt8>, blockSize _: Int?) -> Array<UInt8> {
    if let idx = bytes.lastIndex(of: 0x80) {
      return Array(bytes[..<idx])
    } else {
      return bytes
    }
  }
}

使用示例

// 创建ISO78164Padding实例
let iso78164Padding = ISO78164Padding()

// 添加填充
let paddedData = iso78164Padding.add(to: [1, 2, 3, 4, 5], blockSize: 8)
// 结果: [1, 2, 3, 4, 5, 0x80, 0x00, 0x00]

// 移除填充
let cleanedData = iso78164Padding.remove(from: paddedData, blockSize: nil)
// 结果: [1, 2, 3, 4, 5]

技术特点

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ISO10126Padding

ISO10126Padding是另一种ISO标准填充方案，使用随机字节进行填充，最后一个字节表示填充的总字节数。

实现原理

struct ISO10126Padding: PaddingProtocol {
  @inlinable
  func add(to bytes: Array<UInt8>, blockSize: Int) -> Array<UInt8> {
    let padding = UInt8(blockSize - (bytes.count % blockSize))
    var withPadding = bytes
    if padding > 0 {
      withPadding += (0..<(padding - 1)).map { _ in UInt8.random(in: 0...255) } + [padding]
    }
    return withPadding
  }

  @inlinable
  func remove(from bytes: Array<UInt8>, blockSize: Int?) -> Array<UInt8> {
    guard !bytes.isEmpty, let lastByte = bytes.last else {
      return bytes
    }

    let padding = Int(lastByte)
    let finalLength = bytes.count - padding

    if finalLength < 0 {
      return bytes
    }

    if padding >= 1 {
      return Array(bytes[0..<finalLength])
    }

    return bytes
  }
}

使用示例

// 创建ISO10126Padding实例
let iso10126Padding = ISO10126Padding()

// 添加填充
let paddedData = iso10126Padding.add(to: [1, 2, 3, 4, 5], blockSize: 8)
// 结果示例: [1, 2, 3, 4, 5, 随机字节, 随机字节, 3]

// 移除填充
let cleanedData = iso10126Padding.remove(from: paddedData, blockSize: nil)
// 结果: [1, 2, 3, 4, 5]

安全特性

特性	描述	优势
随机填充	使用随机字节进行填充	增加安全性，防止模式分析
长度标记	最后一个字节表示填充长度	确保准确移除填充
确定性	填充移除过程完全确定	避免歧义和错误

三种填充方案的比较

下表详细比较了三种填充方案的关键特性：

特性	ZeroPadding	ISO78164Padding	ISO10126Padding
填充方式	零字节填充	0x80标记 + 零字节填充	随机字节 + 长度标记
可逆性	可能不可逆	完全可逆	完全可逆
安全性	低	中	高
计算开销	低	低	中（需要随机数生成）
标准符合	无特定标准	ISO/IEC 7816-4	ISO 10126
适用场景	简单应用、测试	智能卡、嵌入式系统	高安全性要求应用

实际应用中的选择建议

在选择填充方案时，需要考虑以下因素：

数据特性：如果数据可能以零字节结尾，避免使用ZeroPadding
安全性要求：高安全性场景推荐使用ISO10126Padding
性能要求：对性能敏感的应用可选择ZeroPadding或ISO78164Padding
兼容性：需要与其他系统交互时，选择对方支持的填充标准

集成到加密流程中

在CryptoSwift中，填充方案通常与加密算法一起使用：

// 使用AES加密时指定填充方案
do {
    let aes = try AES(
        key: [UInt8]("secretkey1234567".utf8), 
        blockMode: CBC(iv: [UInt8](repeating: 0, count: 16)),
        padding: .iso10126  // 指定ISO10126填充
    )
    
    let ciphertext = try aes.encrypt([UInt8]("敏感数据".utf8))
    // 解密时会自动移除填充
    let plaintext = try aes.decrypt(ciphertext)
} catch {
    print("加密错误: \(error)")
}

最佳实践

始终验证填充：在移除填充后，验证数据的完整性和正确性
错误处理：实现适当的错误处理机制，处理填充异常情况
日志记录：在关键操作中添加日志记录，便于调试和审计
性能测试：在高并发场景下测试不同填充方案的性能表现

通过合理选择和使用填充方案，可以确保加密数据的完整性和安全性，同时满足不同应用场景的需求。

ChaCha20-Poly1305 AEAD加密

在现代密码学应用中，认证加密（Authenticated Encryption）已成为保护数据机密性和完整性的标准方法。ChaCha20-Poly1305是一种高效的AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）算法组合，由Daniel J. Bernstein设计，现已成为TLS 1.3等现代协议的重要组成部分。

算法原理与架构

ChaCha20-Poly1305结合了两种独立的密码学原语：

ChaCha20：一种高速流密码，基于Salsa20改进而来
Poly1305：一种快速消息认证码（MAC）算法

这种组合提供了同时加密和认证的能力，支持关联数据（Associated Data）的认证，但不加密。

加密流程时序图

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CryptoSwift实现详解

CryptoSwift提供了完整的ChaCha20-Poly1305 AEAD实现，位于AEADChaCha20Poly1305类中：

核心参数配置

public final class AEADChaCha20Poly1305: AEAD {
    public static let kLen = 32 // 密钥长度：32字节（256位）
    public static var ivRange = Range<Int>(12...12) // IV长度：12字节
}

加密过程实现

加密操作遵循RFC 7539规范，包含以下关键步骤：

public static func encrypt(_ plainText: Array<UInt8>, key: Array<UInt8>, 
                          iv: Array<UInt8>, authenticationHeader: Array<UInt8>) 
                          throws -> (cipherText: Array<UInt8>, authenticationTag: Array<UInt8>) {
    
    let cipher = try ChaCha20(key: key, iv: iv)
    
    // 1. 生成Poly1305密钥
    var polykey = Array<UInt8

创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考