CryptoAPI C++ 使用 AES 与 Java 互操作

Question

我正在尝试使用 CryptoAPI 在 C++ 中加密并使用 SunJCE 解密 Java。我已经获得了 RSA 密钥，并在测试字符串上进行了验证。但是，我的 AES 密钥不起作用 - 我收到 javax.crypto.BadPaddingException: Given final block not properly padded。

C++ 加密：

// init and gen key
HCRYPTPROV provider;
CryptAcquireContext(&provider, NULL, MS_ENH_RSA_AES_PROV, PROV_RSA_AES, CRYPT_VERIFYCONTEXT);

// Use symmetric key encryption
HCRYPTKEY sessionKey;
DWORD exportKeyLen;
CryptGenKey(provider, CALG_AES_128, CRYPT_EXPORTABLE, &sessionKey);

// Export key
BYTE exportKey[1024];
CryptExportKey(sessionKey, NULL, PLAINTEXTKEYBLOB, 0, exportKey, &exportKeyLen);

// skip PLAINTEXTKEYBLOB header
//      { uint8_t bType, uint8_t version, uint16_t reserved, uint32_t aiKey, uint32_t keySize }
DWORD keySize =  *((DWORD*)(exportKey + 8));
BYTE * rawKey = exportKey + 12;

// reverse bytes for java
for (unsigned i=0; i<keySize/2; i++) {
    BYTE temp = rawKey[i];
    rawKey[i] = rawKey[keySize-i-1];
    rawKey[keySize-i-1] = temp;
}

// Encrypt message
BYTE encryptedMessage[1024];
const char * message = "Decryption Works";
BYTE messageLen = (BYTE)strlen(message);
memcpy(encryptedMessage, message, messageLen);
DWORD encryptedMessageLen = messageLen;
CryptEncrypt(sessionKey, NULL, TRUE, 0, encryptedMessage, &encryptedMessageLen, sizeof(encryptedMessage));

// reverse bytes for java
for (unsigned i=0; i<encryptedMessageLen/2; i++) {
    BYTE temp = encryptedMessage[i];
    encryptedMessage[i] = encryptedMessage[encryptedMessageLen - i - 1];
    encryptedMessage[encryptedMessageLen - i - 1] = temp;
}

BYTE byteEncryptedMessageLen = (BYTE)encryptedMessageLen;
FILE * f = fopen("test.aes", "wb");
fwrite(rawKey, 1, keySize, f);
fwrite(&byteEncryptedMessageLen, 1, sizeof(byteEncryptedMessageLen), f);
fwrite(encryptedMessage, 1, encryptedMessageLen, f);
fclose(f);

// destroy session key
CryptDestroyKey(sessionKey);
CryptReleaseContext(provider, 0);

Java解密：

try
{
    FileInputStream in = new FileInputStream("test.aes");
    DataInputStream dataIn = new DataInputStream(in);

    // stream key and message
    byte[] rawKey = new byte[16];
    dataIn.read(rawKey);
    byte encryptedMessageLen = dataIn.readByte();
    byte[] encryptedMessage = new byte[encryptedMessageLen];
    dataIn.read(encryptedMessage);

    // use CBC/PKCS5PADDING, with 0 IV -- default for Microsoft Base Cryptographic Provider
    SecretKeySpec sessionKey = new SecretKeySpec(rawKey, "AES");
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5PADDING");
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, sessionKey, new IvParameterSpec(new byte[16]));

    cipher.doFinal(encryptedMessage);
}
catch (Exception e) {
  e.printStackTrace();
}

在一个类似的例子中，我尝试了不反转密钥字节和不反转消息中的字节的排列。如果我在 java 中使用导入的密钥进行加密和解密，我会得到有效的结果。我也可以专门用 C++ 加密和解密。

问题：

1. 我应该使用 CBC/PKCS5PADDING 吗？这是MS_ENH_RSA_AES_PROV 的默认值吗？
2. 归零的 IV 确实是 MS_ENH_RSA_AES_PROV 的默认值吗？
3. 是否有任何方法可以诊断密钥的具体行为方式？
4. 我想坚持使用标准 Java 包而不是安装 BouncyCastle，但是否有任何差异可以让第 3 方包更好地工作？

Answer 1

我必须做几件事才能正确获取消息：

1. 将KP_MODE 显式设置为CRYPT_MODE_CBC，并将KP_IV 设置为0
2. 在Java解密中使用NoPadding
3. 不要颠倒密钥或消息的字节

就诊断问题而言，最有用的建议是在 Java 中设置 NoPadding 以防止出现BadPaddingException。这让我看到了结果——即使是错误的。

奇怪的是，RSA Java/CryptoAPI 互操作解决方案要求消息完全字节反转才能与 Java 一起使用，但 AES 不希望密钥或消息被字节反转。

CryptSetKeyParam 不允许我使用 ZERO_PADDING，但是在查看解密的字节时，很明显 CryptoAPI 填充了未使用的字节数。例如，对于一个大小为 16 的块，如果最后一个块只使用 9 个字节，那么剩余的 5 个字节的值就是 0x05。这是否存在潜在的安全漏洞？我应该用随机字节填充所有其他字节并只使用最后一个字节来表示使用了多少填充？

工作代码（使用 CryptoAPI 约定的最后一个字节为填充计数）如下（为简单起见，已删除检查来自 Crypt 的返回值）：

// init and gen key
HCRYPTPROV provider;
CryptAcquireContext(&provider, NULL, MS_ENH_RSA_AES_PROV, PROV_RSA_AES, CRYPT_VERIFYCONTEXT);

// Use symmetric key encryption
HCRYPTKEY sessionKey;
DWORD exportKeyLen;
BYTE iv[32];
memset(iv, 0, sizeof(iv));
DWORD padding = PKCS5_PADDING;
DWORD mode = CRYPT_MODE_CBC;
CryptGenKey(provider, CALG_AES_128, CRYPT_EXPORTABLE, &sessionKey);
CryptSetKeyParam(sessionKey, KP_IV, iv, 0);
CryptSetKeyParam(sessionKey, KP_PADDING, (BYTE*)&padding, 0);
CryptSetKeyParam(sessionKey, KP_MODE, (BYTE*)&mode, 0);

// Export key
BYTE exportKey[1024];
CryptExportKey(sessionKey, NULL, PLAINTEXTKEYBLOB, 0, exportKey, &exportKeyLen);

// skip PLAINTEXTKEYBLOB header
//      { uint8_t bType, uint8_t version, uint16_t reserved, uint32_t aiKey, uint32_t keySize }
DWORD keySize =  *((DWORD*)(exportKey + 8));
BYTE * rawKey = exportKey + 12;

// Encrypt message
BYTE encryptedMessage[1024];
const char * message = "Decryption Works -- using multiple blocks";
BYTE messageLen = (BYTE)strlen(message);
memcpy(encryptedMessage, message, messageLen);
DWORD encryptedMessageLen = messageLen;
CryptEncrypt(sessionKey, NULL, TRUE, 0, encryptedMessage, &encryptedMessageLen, sizeof(encryptedMessage));

BYTE byteEncryptedMessageLen = (BYTE)encryptedMessageLen;
FILE * f = fopen("test.aes", "wb");
fwrite(rawKey, 1, keySize, f);
fwrite(&byteEncryptedMessageLen, 1, sizeof(byteEncryptedMessageLen), f);
fwrite(encryptedMessage, 1, encryptedMessageLen, f);
fclose(f);

// destroy session key
CryptDestroyKey(sessionKey);
CryptReleaseContext(provider, 0);

Java解密：

try
{
    FileInputStream in = new FileInputStream("test.aes");
    DataInputStream dataIn = new DataInputStream(in);

    // stream key and message
    byte[] rawKey = new byte[16];
    dataIn.read(rawKey);
    byte encryptedMessageLen = dataIn.readByte();
    byte[] encryptedMessage = new byte[encryptedMessageLen];
    dataIn.read(encryptedMessage);

    // use CBC/NoPadding, with 0 IV -- (each message is creating it's own session key, so zero IV is ok)
    SecretKeySpec sessionKey = new SecretKeySpec(rawKey, "AES");
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5PADDING");
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, sessionKey, new IvParameterSpec(new byte[16]));

    byte[] decryptedBlocks = cipher.doFinal(encryptedMessage);

    // check versus expected message
    byte[] expectedBytes = "Decryption Works -- using multiple blocks".getBytes();
    Assert.assertTrue("Incorrect Message" + new String(message), Arrays.equals(message, expectedBytes));
}
catch (Exception e) {
  e.printStackTrace();
}

Answer 2

您在 Windows 下对 AES 密钥进行了太多的旋转操作。使用 CryptImportKey 将其设置为已知值 - 参见例如 WinAES: A C++ AES Class。

您应该在 Windows 上使用 CryptSetKeyParam、KP_MODE 和 CRYPT_MODE_CBC 设置 CBC 模式。否则，您正在使用 ECB 模式（如果我没记错的话）再次，请参阅 WinAES: A C++ AES Class。

PKCS5 填充默认用于对称密码。我什至不记得如何改变它（如果可能的话）。我怀疑你唯一的选择是“无填充”。

Microsoft 默认使用 0 字符串作为 IV。您需要通过CryptSetKeyParam 和KP_IV 设置IV。

Answer 3

Q1 & Q2：不要依赖默认值。为了可维护性，您可以选择三个选项：让每个人找出默认值是什么（我认为不是最佳选项）、使用 cmets 或简单地设置所有可能的参数。就个人而言，我总是会选择第三种选择——其他选择太脆弱了。

Q3 否，如果密钥的位错误或顺序不正确（见下文），您将得到错误的填充异常或垃圾输出。您可以做的是在解密期间在 Java 中使用“/NoPadding”（或在 C++ 中类似）。这样，您可以通过查看输出来查看是否有填充问题。如果您的纯文本在那里，那么您可能会遇到填充问题。如果只有第一个块是错误的，那么您的 IV 就有问题。

Q4 不，不是。如果您想留在 Java 中，Java JCE 工作得很好。 Bouncy Castle 具有（方式）更多功能，并且可能具有不同的性能特征。您可以使用其他提供程序来使用不同的密钥存储（例如依赖于操作系统或智能卡），使用性能增强（本机）实现等。

可能您可能需要密钥的反转，因为 Java 使用的是大端序，而 C++ 可能使用的是小端序。我无法想象 C++ 会反转输入/输出的字节。通常它们都不代表数字，因此两个平台的顺序应该相同。

去除字节的反转，指定所有参数并报告回来？