iOS 开发中的AES加密

前言

在iOS的日常开发中，特别是设计网络请求时，会用到加密算法，例如在客户端需要发起一个HTTP请求给服务端，其中会传递一些参数，为了防止参数在网络传输过程中被窃取或者篡改，我们就需要使用一些加密算法来对请求参数加密和签名。今天就重点介绍一下AES和HMAC_SHA256两个算法，因为服务端大多数都是使用java语言来编写，AES算法在iOS的Objective-C中和java的实现有些差异，本文重点介绍AES在iOS开发中的应用和需要注意的事项。

AES 加密算法简介

AES是一种典型的对称加密/解密算法，使用加密函数和密钥来完成对明文的加密，然后使用相同的密钥和对应的函数来完成解密。AES的优点在于效率非常高，相比RSA要高得多。AES共有ECB、CBC、CFB和OFB四种加密模式。

在iOS中的实现

Objective-C中支持AES的ECB和CBC两种模式。
1、电码本模式（Electronic Codebook Book (ECB)）
这种模式主要是将明文划分为几个明文段，分块加密，但是加密密钥是相同的。
2、密码分组链接模式（Cipher Block Chaining (CBC)）
这种模式是先将明文切分成若干小段，然后每一小段与初始块或者上一段的密文段进行异或运算后，再与密钥进行加密。

ECB是最简单的一种模式，只需要传入待加密的内容和加密的key即可。（一般不推荐ECB模式）
CBC的特点是，除了需要传入加密的内容和加密的key，还需要传入初始化向量iv。即使每次加密的内容和加密的key相同，只要调整iv就可以让最终生成的密文不同。
在客户端和服务端之间传输数据一般是使用约定好的key对指定参数做AES的CBC加密，初始化向量可以随机动态生成，最终将生成好的密文和随机向量iv拼接在一起传给服务端。如：iv+密文。
iv是指定的长度如16位，这样服务端拿到客户端传输过来的数据可以先取前16位作为iv，剩余的是需要解析的密文。这么做大大提升了数据的安全性和破解难度。即使相同的带加密参数，因为有随机向量的参入，最终生成的密文也不相同。

iOS中一般使用#import <CommonCrypto/CommonCryptor.h>库中的这个函数：

CCCryptorStatus CCCrypt(
    CCOperation op,         /* kCCEncrypt, etc. */
    CCAlgorithm alg,        /* kCCAlgorithmAES128, etc. */
    CCOptions options,      /* kCCOptionPKCS7Padding, etc. */
    const void *key,
    size_t keyLength,
    const void *iv,         /* optional initialization vector */
    const void *dataIn,     /* optional per op and alg */
    size_t dataInLength,
    void *dataOut,          /* data RETURNED here */
    size_t dataOutAvailable,
    size_t *dataOutMoved)
    API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0));

• CCOperation：kCCEncrypt 加密，kCCDecrypt 解密

enum {
    kCCEncrypt = 0,
    kCCDecrypt,
};
typedef uint32_t CCOperation;

• CCAlgorithm：加密算法、默认为AES

enum {
    kCCAlgorithmAES128 = 0, /* Deprecated, name phased out due to ambiguity with key size */
    kCCAlgorithmAES = 0,
    kCCAlgorithmDES,
    kCCAlgorithm3DES,
    kCCAlgorithmCAST,
    kCCAlgorithmRC4,
    kCCAlgorithmRC2,
    kCCAlgorithmBlowfish
};
typedef uint32_t CCAlgorithm;

enum {
    /* options for block ciphers */
    kCCOptionPKCS7Padding   = 0x0001,
    kCCOptionECBMode        = 0x0002
    /* stream ciphers currently have no options */
};
typedef uint32_t CCOptions;

• key：密钥
• keyLength：密钥长度
• iv：iv 初始化向量，ECB 不需要。iv定长所以不需要长度（8字节）。
• dataIn：加密/解密的数据
• dataInLength：加密/解密的数据长度
• dataOut：缓冲区（地址），存放密文/明文
• dataOutAvailable：缓冲区大小
• dataOutMoved：加密/解密结果大小

封装如下：

/**
     *  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 {
    
    // 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;//CBC 加密！
    } else {
        option = kCCOptionPKCS7Padding | kCCOptionECBMode;//ECB加密！
    }
    
    // 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) {
        result = [NSData dataWithBytesNoCopy:buffer length:decryptedSize];
    } else {
        free(buffer);
        NSLog(@"[错误] 解密失败|状态编码: %d", cryptStatus);
    }
    
    return [[NSString alloc] initWithData:result encoding:NSUTF8StringEncoding];
}

上文提到使用CBC模式，可以创建一个随机的iv：

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <CommonCrypto/CommonCryptor.h>

NSData *generateRandomIV(size_t length) {
    NSMutableData *randomIV = [NSMutableData dataWithLength:length];
    int result = SecRandomCopyBytes(kSecRandomDefault, length, randomIV.mutableBytes);
    
    if (result == errSecSuccess) {
        return randomIV;
    } else {
        // 处理生成随机IV失败的情况
        return nil;
    }
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 设置AES加密参数
        NSData *key = [@"YourAESKey123456" dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
        size_t ivLength = kCCBlockSizeAES128; // IV长度为16字节（AES-128）
        
        // 生成随机IV
        NSData *randomIV = generateRandomIV(ivLength);
        
        if (randomIV) {
            // 使用randomIV进行AES加密
            // 这里你可以调用相应的加密方法，传入randomIV作为IV参数
            // 例如，使用CommonCrypto库进行AES加密
            // 具体实现将取决于你所使用的加密库和算法
            
            // 示例：在这里调用AES加密函数，传入key和randomIV
            // ...
        } else {
            NSLog(@"生成随机IV失败");
        }
    }
    return 0;
}