一、简介

1.1 SSL

SSL：（Secure Socket Layer，安全套接字层），位于可靠的面向连接的网络层协议和应用层协议之间的一种协议层。SSL通过互相认证、使用数字签名确保完整性、使用加密确保私密性，以实现客户端和服务器之间的安全通讯。该协议由两层组成：SSL记录协议和SSL握手协议。

1.2 TLS

TLS：(Transport Layer Security，传输层安全协议)，用于两个应用程序之间提供保密性和数据完整性。该协议由两层组成：TLS记录协议和TLS握手协议。

1.3 mbed TLS

乐鑫esp-idf框架集成开源的 mbedtls 加密库。mbedtls 也许是最小巧的SSL代码库。高效、便于移植和集成。支持常见的安全算法，如：AES、DES、RSA、ECC、SHA256、MD5、BASE64等等。除此之外还支持公钥证书体系。它提供了具有直观的 API 和可读源代码的 SSL 库。该工具即开即用，可以在大部分系统上直接构建它，也可以手动选择和配置各项功能。

从功能角度来看，该mbedtls分为三个主要部分：

• SSL/TLS 协议实施。
• 一个加密库。
• 一个 X.509 证书处理库。

二、AES - ECB

2.1 简介

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准） 又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。

ECB（Electronic Code Book电子密码本），是最早采用和最简单的模式，它将加密的数据分成若干组，每组的大小跟加密密钥长度相同，然后每组都用相同的密钥进行加密。

优点：

• 简单；
• 有利于并行计算；
• 误差不会被传送；

缺点：

• 不能隐藏明文的模式；
• 可能对明文进行主动攻击；

因此，此模式适于加密小消息。

2.2 API说明

API 文档查看 mbed TLS源码文档

2.2.1 mbedtls_aes_init

2.2.2 mbedtls_aes_setkey_enc

2.2.3 mbedtls_aes_crypt_ecb

2.2.4 mbedtls_aes_setkey_dec

2.2.5 mbedtls_aes_free

2.3 实例

ECB模式只能实现16字节的明文加解密。

需要包含 mbedtls/aes.h

#include <stdio.h>
#include "sdkconfig.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_system.h"

#include "mbedtls/aes.h"

void app_main(void)
{
    printf("AES-ECB 加密-数据块(128位)，偏移量为0\n");

    mbedtls_aes_context aes_ctx;
    //密钥数值
    unsigned char key[16] = {'e', 'c', 'b', 'p', 'a', 's', 's', 'w', 'o', 'r', 'd', '1', '2', '3', '4'};
    //明文空间
    unsigned char plain[16] = "test1234";
    //解密后明文的空间
    unsigned char dec_plain[16] = {0};
    //密文空间
    unsigned char cipher[16] = {0};

    mbedtls_aes_init(&aes_ctx);
    mbedtls_aes_setkey_enc(&aes_ctx, key, 128);
    printf("要加密的数据: %s\n", plain);
    printf("加密的密码: %s\n", key);
    mbedtls_aes_crypt_ecb(&aes_ctx, MBEDTLS_AES_ENCRYPT, plain, cipher);
    printf("加密结果，二进制表示: ");
    for(int loop = 0; loop < 16; loop++)
    {
        printf("%02x", cipher[loop]);
    }
    printf("\r\n");

    //设置解密密钥
    mbedtls_aes_setkey_dec(&aes_ctx, key, 128);
    mbedtls_aes_crypt_ecb(&aes_ctx, MBEDTLS_AES_DECRYPT, cipher, dec_plain);
    printf("解密后的数据: %s\n", dec_plain);
    mbedtls_aes_free(&aes_ctx);
}

2.4 加密解密验证

在线AES-ECB加密解密：http://tool.chacuo.net/cryptaes

与网站加密后结果一致：

三、AES - CBC

3.1 简介

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准） 又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。

CBC（Cipher Block Chaining，加密块链） 模式。

优点：

• 不容易主动攻击，安全性好于ECB，适合传输长度长的报文，是SSL、IPSec的标准。

缺点：

• 不利于并行计算；
• 误差传递；
• 需要初始化向量IV；

3.2 API说明

API 文档查看 mbed TLS源码文档

3.2.1 mbedtls_aes_init

3.2.2 mbedtls_aes_setkey_enc

3.2.3 mbedtls_aes_crypt_cbc

3.2.4 mbedtls_aes_setkey_dec

3.2.5 mbedtls_aes_free

3.3 实例

CBC能实现大于16字节的明文加解密，前提是需要为16的整数倍。

需要包含 mbedtls/aes.h

void app_main(void)
{
    printf("AES-CBC 加密-数据块(128位)\n");
    int i;
    mbedtls_aes_context aes_ctx;
    //密钥数值
    unsigned char key[16] = {'c', 'b', 'c', 'p', 'a', 's', 's', 'w', 'o', 'r', 'd', '1', '2', '3', '4'};
    //iv
    unsigned char iv[16];
    //明文空间
    unsigned char plain[64] = "hello_worled1234";
    //解密后明文的空间
    unsigned char dec_plain[64] = {0};
    //密文空间
    unsigned char cipher[64] = {0};

    mbedtls_aes_init(&aes_ctx);
    mbedtls_aes_setkey_enc(&aes_ctx, key, 128);
    for(i = 0; i < 16; i++)
    {
        iv[i] = 0x01;
    }
    printf("要加密的数据: %s\n", plain);
    printf("加密的密码: %s\n", key);
    mbedtls_aes_crypt_cbc(&aes_ctx, MBEDTLS_AES_ENCRYPT, 64, iv, plain, cipher);
    printf("加密结果，二进制表示: ");
    for(int loop = 0; loop < 64; loop++)
    {
        printf("%02x", cipher[loop]);
    }
    printf("\r\n");

    //设置解密密钥
    mbedtls_aes_setkey_dec(&aes_ctx, key, 128);
    for(i = 0; i < 16; i++)
    {
        iv[i] = 0x01;
    }
    mbedtls_aes_crypt_cbc(&aes_ctx, MBEDTLS_AES_DECRYPT, 64, iv, cipher, dec_plain);
    printf("解密后的数据: %s\n", dec_plain);
    mbedtls_aes_free(&aes_ctx);
}

四、MD5

4.1 简介

MD5信息摘要算法（英语：MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的密码散列函数，可以产生出一个128位（16字节）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致。

应用场景：

• 密码管理
• 电子签名
• 垃圾邮件筛选

4.2 API说明

API 文档查看 mbed TLS源码文档

MD5 被认为是一种弱消息摘要，它的使用构成了安全风险。我们建议考虑使用更强的消息摘要。

4.2.1 mbedtls_md5_init

4.2.2 mbedtls_md5_starts

4.2.3 mbedtls_md5_update

4.2.4 mbedtls_md5_finish

4.2.5 mbedtls_md5_free

4.3 实例

需要包含 mbedtls/md5.h

void app_main(void)
{
    printf("MD5 加密\n");

    mbedtls_md5_context md5_ctx;

    unsigned char encrypt[] = "hello_worled1234";
    unsigned char decrypt[16];

    mbedtls_md5_init(&md5_ctx);
    mbedtls_md5_starts(&md5_ctx);
    mbedtls_md5_update(&md5_ctx, encrypt, strlen((char *)encrypt));
    mbedtls_md5_finish(&md5_ctx, decrypt);

    printf("MD5加密前:[%s]\n", encrypt);
    printf("MD5加密后(32位):");
    for(int i = 0; i < 16; i++)
    {
        printf("%02x", decrypt[i]);
    }
    printf("\r\n");

    mbedtls_md5_free(&md5_ctx);
}

4.4 加密验证

在线MD5加密：https://www.cmd5.com/

与网站加密后结果一致：

五、SHA-1

5.1 简介

SHA-1（英语：Secure Hash Algorithm 1，中文名：安全散列算法1）是一种密码散列函数，美国国家安全局设计，并由美国国家标准技术研究所（NIST）发布为联邦数据处理标准（FIPS）。SHA-1可以生成一个被称为消息摘要的160位（20字节）散列值，散列值通常的呈现形式为40个十六进制数。

SHA在很多安全协定中广为运用，包含TLS和SSL、PGP、SSH、S/MIME和IPsec，曾被视为是MD5（更早之前被广为运用的杂凑函数）的后继者。 但SHA-1的安全性现在被密码学家严峻质疑，有学者曾经爆出NSA在SHA-1留下的后门。

5.2 API说明

API 文档查看 mbed TLS源码文档

SHA-1 被认为是一种弱消息摘要，它的使用构成了安全风险。我们建议考虑使用更强的消息摘要。

5.2.1 mbedtls_sha1_init

5.2.2 mbedtls_sha1_starts

5.2.3 mbedtls_sha1_update

5.2.4 mbedtls_sha1_finish

5.2.5 mbedtls_sha1_free

5.3 实例

需要包含 mbedtls/sha1.h

void app_main(void)
{
    printf("SHA-1 加密\n");

    mbedtls_sha1_context sha1_ctx;;

    const unsigned char encrypt[] = "hello_worled1234";
    unsigned char decrypt[32];

    mbedtls_sha1_init(&sha1_ctx);
    mbedtls_sha1_starts(&sha1_ctx);
    mbedtls_sha1_update(&sha1_ctx, encrypt, strlen((char *)encrypt));
    mbedtls_sha1_finish(&sha1_ctx, decrypt);

    printf("SHA1加密前:[%s]\n", encrypt);
    printf("SHA1加密后(40位):");
    for(int i = 0; i < 20; i++)
    {
        printf("%02x", decrypt[i]);
    }
    printf("\r\n");

    mbedtls_sha1_free(&sha1_ctx);
}

5.4 加密验证

在线SHA1加密：http://www.ttmd5.com/hash.php?type=5

与网站加密后结果一致：

六、SHA-256

6.1 简介

SHA256 是SHA-2下细分出的一种算法。SHA-2，名称来自于安全散列算法2（英语：Secure Hash Algorithm 2）的缩写，一种密码散列函数算法标准，由美国国家安全局研发，属于SHA算法之一，是SHA-1的后继者。虽然至今尚未出现对SHA-2有效的攻击，但是它的算法跟SHA-1基本上仍然相似，因此有些人开始发展其他替代的杂凑算法。

SHA-2下又可再分为六个不同的算法标准，包括了：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。这些变体除了生成摘要的长度 、循环运行的次数等一些微小差异外，算法的基本结构是一致的。

6.2 API说明

API 文档查看 mbed TLS源码文档

6.2.1 mbedtls_sha256_init

6.2.2 mbedtls_sha256_starts

6.2.3 mbedtls_sha256_update

6.2.4 mbedtls_sha256_finish

6.2.5 mbedtls_sha256_free

6.3 实例

需要包含 mbedtls/sha256.h

void app_main(void)
{
    printf("SHA-256 加密\n");

    mbedtls_sha256_context sha256_ctx;;

    const unsigned char encrypt[] = "hello_worled1234";
    unsigned char decrypt[32];

    mbedtls_sha256_init(&sha256_ctx);
    mbedtls_sha256_starts(&sha256_ctx, 0); // 0表示传sha256 ， 1 表示传SHA-244
    mbedtls_sha256_update(&sha256_ctx, encrypt, strlen((char *)encrypt));
    mbedtls_sha256_finish(&sha256_ctx, decrypt);

    printf("SHA256加密前:[%s]\n", encrypt);
    printf("SHA256加密后:");
    for(int i = 0; i < 32; i++)
    {
        printf("%02x", decrypt[i]);
    }
    printf("\r\n");

    mbedtls_sha256_free(&sha256_ctx);
}

6.4 加密验证

在线SHA256加密：http://www.ttmd5.com/hash.php?type=5

与网站加密后结果一致：

• 由 Leung 写于 2021 年 10 月 27 日

• 参考：乐鑫Esp32学习之旅 22 讨论下程序员 “青春饭” 那些事，分享在esp32实现多种加密算法md5 |AES CBC-ECB| Sha1 | Sha256 等，附带Demo