AES-ECC数字信封协议与接口文档

昌用

AES-ECC数字信封协议文档

概述

AES-ECC数字信封加密算法库，是基于AES256，以及椭圆曲线secp256k1实现的对任意字节序列实现数字信封加密的算法库。

对数据使用AES对称密钥$key$进行加密，再通过椭圆曲线算法，使用公钥$pubKey$加密$key$，实现数据加密。解密过程与之相反，通过公钥对应的私钥$priKey$解密，得到对称密钥$key$，再通过$key$解密得到原始数据。

AES算法说明

AES(Advanced Encryption Standard，高级加密标准)，是一种常见的加密算法，采用对称分组密码体制。本算法库采用的是AES-256-CBC-PKCS7Padding加密方式，此种方式下加解密需要一个16字节的初始化向量(Initialzation Vector, IV)，同时密钥的长度为256位，即32字节；并采用CBC模式加密，即先将明文切分成若干个小段，每一个小段与初始块或上一段的密文进行异或运算后，再与密钥进行加密；采用PKCS7Padding填充模式，保证明文分段时，对于数据不齐时，对数据按字节进行补齐，若数据本身已经对齐，则会填充一块长度为块大小的数据，每个字节都是块大小。

算法具体描述如下：

明文分段

对于任意长度的明文$Plaintext$，首先根据PKCS7Padding进行补齐，补齐后将数据分段，每块大小为16字节。分段后得到n个明文段，即$Plaintext_1,...,Plaintext_n$。

加密数据

$Plaintext_1$与IV进行异或运算，得到$Input_1$做为AES加密算法的输入，与密钥$key$进行计算，得到密文$Ciphertext_1$。
$Plaintext_2$与$Ciphertext_1$进行异或运算，得到$Input_2$做为AES加密算法的输入，与密钥$key$进行计算，得到密文$Ciphertext_2$。
循环往复，直至将所有的明文段加密完，最后一次得到密文$Ciphertext_n$。
将$Ciphertext_1，...,Ciphertext_n$拼接在一起，即为最终的密文$Ciphertext$。

加密AES-256-CBC-PKCS7Pandding

解密数据

将$Ciphertext$按16字节，划分成n个密文段$Ciphertext_1,...,Ciphertext_n$。
$Ciphertext_1$与密钥$key$进行解密运算，得$Output_1$，$Output_1$与IV进行异或，得到第一段明文$Plaintext_1$。
$Ciphertext_2$与密钥$key$进行解密运算，得到$Output_2$，$Output_2$与$Ciphertext_1$进行异或，得到第二段明文$Plaintext_2$。
循环往复，即可得到左右的明文段，最后将$Plaintext_1,...,Plaintext_n$拼接在一起，即可得到最终的明文$Plaintext$。

解密AES-256-CBC-PKCS7Pandding

ECC算法说明

ECC(Elliptic Curve Cryptography，椭圆曲线密码学)，基于有限域的椭圆曲线和复杂的椭圆曲线离散对数，实现的一种非对称加密系统。

在本算法库中的椭圆曲线加密算法是基于secp256k1实现的。大多数常用的曲线都具有随机结构，但 secp256k1 是以特殊的非随机方式构建的，因此可以实现特别高效的计算。因此，如果实现充分优化，它通常比其他曲线快 30% 以上。

而本算法库所实现的是基于椭圆曲线的一种集成加密方案，ECIES(elliptic curve integrate encrypt scheme)。其中密钥派生函数、校验码的生成算法和对称加密方案是根据需要设计的，本算法库选择的密钥派生函数为SHA512哈希函数，校验码生成算法为SHA256哈希函数，对称加密方案选择的是AES/CBC/PKCS7Padding。

密钥生成

在椭圆曲线$Ep(a,b)$中选择两个点$G,K$，满足$K=kG$，$n$为$G$的阶$(nG=O_{\infty})$，$k$为小于$n$的整数。则给定$k$和$G$，计算$K$是很容易的，而给定$K$和$G$计算$k$是非常困难的，同时由于$n,p$的取值是非常大的，因此想要把各个点逐一算出是不可能的，基于此构建非对称密码算法。

在椭圆曲线上随机选取一点$G$，称为基点。
$k(k<n)$为私钥。
$K$为公钥。

在使用椭圆曲线进行加密时，用户需要公开自己的公钥$K$，其他人可以通过公钥加密明文数据得到密文发送给用户，而用户可以通过自己的私钥$k$进行解密。而其他人在不知道私钥的情况下是无法解密的。

加密算法

为加密信息$m$，需要以下步骤：

生成一个随机数$r\in[1,n-1]$，并计算$R=rG$。
将秘密$S$映射到椭圆曲线上，令$S=P_x$，其中$P=(P_x, P_y)=rK(P\neq O_{\infty})$。
使用哈希算法SHA512，对秘密$S$进行哈希运算，得到的值分别做为对称加密的密钥以及校验密文是否正确的密钥，$k_E||k_M=\mathsf{SHA512}(S)$。
对秘密进行加密$c=E(k_E;m)$
计算加密信息的校验码$d=\mathsf{SHA256}(k_M;c)$
输出$R||c||d$。

解密算法

当获得$R||c||d$后执行解密：

求出$P=(P_x,P_y)=kR$，因为$P=kR=krG=rkG=rK$，其中$S=P_x$。
生成加密密钥和校验密钥$k_E||k_M=\mathsf{SHA512}(S)$。
计算校验码是否正确，即$d$与$\mathsf{SHA256}(k_M;c)$。
使用对称密钥进行解密$m=D(k_E;c)$。

AES-ECC SDK 接口文档

通过java和JS两种语言，实现了数字信封的SDK，并且两种语言的SDK可以实现互相加解密。

对于明文采用AES进行加密，对加密中使用的对称密钥，利用椭圆曲线中的ECIES进行加密（公钥加密），加密后得到关于明文的AES密文，以及关于对称密钥的ECIES密文。解密的过程与此相反，通过ECIES进行解密（私钥解密），得到AES的对称密钥，利用此密钥对AES的密文进行解密，得到明文。

JAVA SDK

接口说明

public class envelop{}

将数字信封封装在envelop中。通过实例化envelop对象，完成数字信封的相关功能。

public void setSymKey(String key)

传入AES的对称密钥。

public void setEciesPubKey(String pk)
public void setEciesSecKey(String sk)

传入ECC的公钥/私钥。

public String getSymKey()

获取当前AES的密钥。

public String getEciesPubKey()
public String getEciesSecKey()

获取当前ECC的公钥/私钥。

public String encryptMsg(String msg) throws Exception
public String decryptMsg(String encMsg) throws Exception

使用AES对明文进行加密，返回密文；以及使用AES对密文进行解密，返回解密后的明文。

public String encryptKey(String key) throws Exception
public String decryptKey(String encKey) throws Exception

使用ECC中的ECIES加密算法，对明文（在数字信封中为AES的对称密钥）进行加密，返回密文（在数字信封中为AES对称密钥的密文）；以及使用ECIES解密算法对密文进行解密，返回明文。

具体实例

实例化对象

envelop env = new envelop();

实例化一个数字信封对象，此对象会通过构造函数，分配AES加密的密钥以及ECC的公私钥对。

数字信封加密

String encMsg = env.encryptMsg(msg);
String symKey = env.getSymKey();
String encKey = env.encryptKey(symKey);

AES加密明文，通过调用getSymKey()方法，获得AES的密钥，对于对称密钥使用椭圆曲线进行加密。

数字信封解密

String decKey = env.decryptKey(encKey);
env.setSymKey(decKey);
String decMsg = env.decryptMsg(encMsg);

使用椭圆曲线进行解密，得到AES的对称密钥，调用setSymKey()方法，将AES对称密钥传入对象中，然后使用AES进行解密，得到的decMsg即为解密后的密文。

JavaScript SDK

实现JS的SDK，分别用到了aes.js、ecc-ecies.js以及secp256k1.js，其中secp256k1.js提供了椭圆曲线中secp256k1这条曲线的相关参数和接口。

接口说明（aes.js）

生成密钥

function generateKey()
function StringCodeParse()

generateKey() 会随机生成16字节（256位）的十六进制的字符串（小写字母）。

StringCodeParse() 将以上生成的字符串（大写字母，对于字符串可以用toUpperCase()函数进行转换）转换成适用于aes的密钥。

加密

function encrypt(plaintext, key, iv)

加密函数，其中plaintext接收的是明文数据的字符串，key是由StringCodeParse()转换的密钥，iv是填充向量。由于java版本和JS版本采用的是不同的填充格式，因此为保证二者互通，指定iv向量的值iv = "30313233343536373839414243444546"。

解密

function decrypt(ciphertext, key, iv)

解密函数，其中ciphertext是密文字符串，key是由StringCodeParse()转换的密钥，iv是填充向量。由于java版本和JS版本采用的是不同的填充格式，因此为保证二者互通，指定iv向量的值iv = "30313233343536373839414243444546"。

接口说明（ecc-ecies.js）

生成公私钥对

function generateSK()
function generatePK(sk)

generateSK() 生成私钥，generatePK(sk)根据私钥生成公钥，其中sk是由generatePK(sk)直接生成的。

function SK2Bytes(sk)
function PK2Bytes(pk)
function Bytes2Key(bytes)

以上三个函数中，前两个分别是将私钥、公钥转成byte数组，最后一个是将byte数组转成用私钥/公钥的格式。

加密

function encrypt(pub, msg)

加密函数，pub为上文生成的公钥，msg为需要加密的明文字符串，函数的输出为Array数组。

解密

function decrypt(prv, cyph)

解密函数，prv为上文生成的私钥，cyph为加密的Array数组，函数输出为解密结果的字符串。

function StringToHex(bytes)

将字符串形式的密文，转换成适合js解密的Array数组。

具体实例

var aes = require("./aes")
var CryptoJS = require("crypto-js")
var ecc = require("./ecc-ecies")

引入对应的包。

生成密钥

var key = aes.generateKey()
var iv = "30313233343536373839414243444546"
var key1 = aes.StringCodeParse(key.toUpperCase())

var secKey = ecc.generateSK()
var pubKey = ecc.generatePK(secKey)

其中key是生成的256位的随机序列，key1是转换后的AES密钥。secKey是椭圆曲线的私钥，pubKey是椭圆曲线的公钥。

加密

var msg = "This is a plaintext message from alice to bob"
var encMsg = aes.encrypt(msg, key1, iv)
var encKey = ecc.encrypt(pubKey, key)

对明文msg使用AES进行加密，得到encMsg，对key使用椭圆曲线进行加密，得到encKey。

解密

var decKey = ecc.decrypt(secKey, encKey)
decKey =  aes.StringCodeParse(decKey)
var decMsg = aes.decrypt(encMsg, decKey, iv)
console.log(decMsg)

对encKey进行解密，得到AES对称密钥，解密的密钥使用StringCodeParse()函数进行转换，以适应在JS的AES中进行解密。得到的decKey，使用椭圆曲线进行解密，最后打印到控制台。

JAVA和JS互通调用实例

JAVA加密，JS解密

java部分：

envelop env = new envelop();
String msg = "hello world!";
String encMsg = env.encryptMsg(msg);
String symKey = env.getSymKey();
String encKey = env.encryptKey(symKey);

System.out.println("##encMsg:");
System.out.println(encMsg);
System.out.println("##encKey:");
System.out.println(encKey);
System.out.println("##secKey:");
System.out.println(env.getEciesSecKey());

输出结果：

##encMsg:
8cf8d9b71da857a75ee5ad683f6a2ba5
##encKey:
eaed4c48657ec38ca12eafbdf674c7653df801e8f115cd7e895f8a0a8034eb54e3b18ba30abf2bfc61c923b75288444844ec5b926e4d508760b7d2b41672525addb691cfb39c40c2e92bf0ef9c62e21acd4cd44ede52ffa425d4a4b6c96ce521996fe2d69b21537defc668269faadd981290e7d8d631d5b7ed73fb0ff436b2762e7a3976ea358b46a653a85d4f57eb44
##secKey:
30dba07390235aa9da79fdc7778fe256c0058bc0cb12a64e943510735a2c8aaf

js解密：

var aes = require("./aes")
var CryptoJS = require("crypto-js")
var ecc = require("./ecc-ecies")
var secp256k1 = require("./secp256k1")

var iv = aes.iv
var encMsg = "8cf8d9b71da857a75ee5ad683f6a2ba5"
var encKey = "eaed4c48657ec38ca12eafbdf674c7653df801e8f115cd7e895f8a0a8034eb54e3b18ba30abf2bfc61c923b75288444844ec5b926e4d508760b7d2b41672525addb691cfb39c40c2e92bf0ef9c62e21acd4cd44ede52ffa425d4a4b6c96ce521996fe2d69b21537defc668269faadd981290e7d8d631d5b7ed73fb0ff436b2762e7a3976ea358b46a653a85d4f57eb44"
var secKey = "30dba07390235aa9da79fdc7778fe256c0058bc0cb12a64e943510735a2c8aaf"
secKey = secp256k1.uint256(secKey, 16)
var encKey = ecc.StringToHex(encKey.toUpperCase())

var decKey = ecc.decrypt(secKey, encKey)
decKey =  aes.StringCodeParse(decKey)
var decMsg = aes.decrypt(encMsg, decKey, iv)
console.log(decMsg)

输出结果：

hello world!

值得注意的是，在secKey做为字符串不能直接做为私钥进行解密，需要使用secp256k1.js中的函数进行映射，将其映射到椭圆曲线上，以适应解密。

JS加密，JAVA解密

JS加密部分：

var aes = require("./aes")
var CryptoJS = require("crypto-js")
var ecc = require("./ecc-ecies")
var secp256k1 = require("./secp256k1")

var key = aes.generateKey()
var iv = aes.iv
var key1 = aes.StringCodeParse(key.toUpperCase())
var secKey = ecc.generateSK()
var pubKey = ecc.generatePK(secKey)

var msg = "This is a plaintext message from alice to bob"
var encMsg = aes.encrypt(msg, key1, iv)
var encKey = ecc.encrypt(pubKey, key)

console.log("sk:")
console.log(secKey)
console.log("encMsg:")
console.log(encMsg)
console.log("encKey:")
console.log(secp256k1.Bytes2Hex(encKey))

加密后的输出结果

sk:
<BN: 5965f0ac0cbc8c1de77d788df14586b494485816ede997ca3ac1365b52076eb9>
encMsg:
45f15773c2d848e6529f7982729c01fb0c1409de130146977b393851f13afe630093e4ff0f0943ecd235edf2a2745475
encKey:
53225863dbddfb98ae018c9790e57057cddd8a1b0ecf48bf12238da1c90be013b0397cc9ea8f0a0630a8dc903a9c7d3f93e8fa8a150e720eab4cf9af00ce1d12229ba87a99f8440e22d6ed3aec85d4fa964b6b508fee05ea18f5ab152b8f6543d68b0cedbb4ad5e97ede7c38089b34ad76bb47581aa89b0e0cb261e929edba7d55dd671cad8c56004fe16068ea540aad

java解密：

public void testDecrypt() throws Exception {
     envelop env = new envelop();
     String sk = "5965f0ac0cbc8c1de77d788df14586b494485816ede997ca3ac1365b52076eb9";
     env.setEciesSecKey(sk);
     String encMsg = "45f15773c2d848e6529f7982729c01fb0c1409de130146977b393851f13afe630093e4ff0f0943ecd235edf2a2745475";
     String encKey = "53225863dbddfb98ae018c9790e57057cddd8a1b0ecf48bf12238da1c90be013b0397cc9ea8f0a0630a8dc903a9c7d3f93e8fa8a150e720eab4cf9af00ce1d12229ba87a99f8440e22d6ed3aec85d4fa964b6b508fee05ea18f5ab152b8f6543d68b0cedbb4ad5e97ede7c38089b34ad76bb47581aa89b0e0cb261e929edba7d55dd671cad8c56004fe16068ea540aad";
    
     String decKey = env.decryptKey(encKey);
     System.out.println("##decKey:");       
     System.out.println(decKey);
     env.setSymKey(decKey);
        
     String decMsg = env.decryptMsg(encMsg);
     System.out.println("##decMsg:");
     System.out.println(decMsg);
}

解密后的输出结果：

##decKey:
E59C191F3EB84A6B5E7C144F3DAFEA1E
##decMsg:
This is a plaintext message from alice to bob

水雷_zzHe

@昌用可喜可贺！