20.5 OpenSSL 套接字RSA加密传输

RSA算法同样可以用于加密传输，但此类加密算法虽然非常安全，但通常不会用于大量的数据传输，这是因为RSA算法加解密过程涉及大量的数学运算，尤其是模幂运算（即计算大数的幂模运算），这些运算对于计算机而言是十分耗时。

其次在RSA算法中，加密数据的长度不能超过密钥长度减去一定的填充长度。一般情况下，当RSA密钥长度为1024位时，可以加密长度为128字节，密钥长度为2048位时，可以加密长度为245字节；当密钥长度为3072位时，可以加密长度为371字节。因此，如果需要加密的数据长度超过了密钥长度允许的范围，可以采用分段加密的方法。我们可以将数据包切割为每个128个字符，这样就可以实现循环传输大量字符串。

20.5.1 加解密算法封装

在之前的章节中我们都是使用命令行的方式手动生成密钥对文件，其实在OpenSSL中我们完全可以使用SDK提供的函数自动生成对应的加密密钥对文件，如下一段代码中，CreateRSAPEM则是一个生成密钥对的函数，分别向该函数内传递一个公钥，私钥，以及数据长度，即可得到两个RSA文件。

#include <iostream>
#include <string>
#include <Windows.h>
#include <openssl/err.h>
#include <openssl/rsa.h>
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/crypto.h>

extern "C"
{
#include <openssl/applink.c>
}

#pragma comment(lib,"libssl.lib")
#pragma comment(lib,"libcrypto.lib")

// 生成RSA公钥和私钥文件
BOOL CreateRSAPEM(char *PublicKey, char *PrivateKey, int KeySize)
{
  BIO* bpub, *bpri;

  // 分别新建密钥对文件
  bpub = BIO_new_file(PublicKey, "w");
  bpri = BIO_new_file(PrivateKey, "w");

  if (!bpub || !bpri)
  {
    return FALSE;
  }

  RSA* pRSA = 0;

  // 生成密钥对KeySize指定密钥对长度1024
  pRSA = RSA_generate_key(KeySize, RSA_F4, NULL, NULL);
  if (pRSA != NULL)
  {
    // 写出公钥
    if (!PEM_write_bio_RSAPublicKey(bpub, pRSA))
    {
      return FALSE;
    }
    // 写出私钥
    if (!PEM_write_bio_RSAPrivateKey(bpri, pRSA, NULL, NULL, 0, NULL, NULL))
    {
      return FALSE;
    }
  }
  if (bpub)
  {
    BIO_free(bpub);
  }
  if (bpri)
  {
    BIO_free(bpri);
  }
  if (pRSA)
  {
    RSA_free(pRSA);
  }
  return TRUE;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
  // 生成公钥与私钥
  BOOL flag = CreateRSAPEM("public.rsa","private.rsa",1024);

  if (flag == TRUE)
  {
    printf("[*] 已生成密钥对 \n");
  }

  system("pause");
  return 0;
}

代码运行后会分别在当前目录下生成public.rsa公钥及private.rsa私钥两个文件，如下图所示；

接着就是对加解密函数的封装实现，为了能更好的实现网络传输，如下是封装的四个函数，其中public_rsa_encrypt用于使用公钥对字符串进行加密，private_rsa_decrypt函数使用私钥对字符串进行解密，private_rsa_encrypt使用私钥加密，public_rsa_decrypt使用公钥解密，读者可根据自己的实际需求选择不同的加解密函数。

// 使用公钥加密
BOOL public_rsa_encrypt(char* in, char* key_path, char* out)
{
  RSA* p_rsa;
  FILE* file;
  int rsa_len;
  if ((file = fopen(key_path, "r")) == NULL)
  {
    return FALSE;
  }
  if ((p_rsa = PEM_read_RSAPublicKey(file, NULL, NULL, NULL)) == NULL)
  {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    return FALSE;
  }
  rsa_len = RSA_size(p_rsa);
  if (RSA_public_encrypt(rsa_len, (unsigned char*)in, (unsigned char*)out, p_rsa, RSA_NO_PADDING) < 0)
  {
    return FALSE;
  }
  RSA_free(p_rsa);
  fclose(file);
  return TRUE;
}

// 使用私钥解密
BOOL private_rsa_decrypt(char* in, char* key_path, char* out)
{
  RSA* p_rsa;
  FILE* file;
  int rsa_len;
  if ((file = fopen(key_path, "r")) == NULL)
  {
    return FALSE;
  }
  if ((p_rsa = PEM_read_RSAPrivateKey(file, NULL, NULL, NULL)) == NULL)
  {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    return FALSE;
  }
  rsa_len = RSA_size(p_rsa);
  if (RSA_private_decrypt(rsa_len, (unsigned char*)in, (unsigned char*)out, p_rsa, RSA_NO_PADDING) < 0)
  {
    return FALSE;
  }
  RSA_free(p_rsa);
  fclose(file);
  return TRUE;
}

// 使用私钥加密
BOOL private_rsa_encrypt(char* in, char* key_path, char* out)
{
  RSA* p_rsa;
  FILE* file;
  int rsa_len;
  if ((file = fopen(key_path, "r")) == NULL)
  {
    return FALSE;
  }
  if ((p_rsa = PEM_read_RSAPrivateKey(file, NULL, NULL, NULL)) == NULL)
  {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    return FALSE;
  }
  rsa_len = RSA_size(p_rsa);
  if (RSA_private_encrypt(rsa_len, (unsigned char*)in, (unsigned char*)out, p_rsa, RSA_NO_PADDING) < 0)
  {
    return FALSE;
  }
  RSA_free(p_rsa);
  fclose(file);
  return TRUE;
}

// 使用公钥解密
BOOL public_rsa_decrypt(char* in, char* key_path, char* out)
{
  RSA* p_rsa;
  FILE* file;
  int rsa_len;
  if ((file = fopen(key_path, "r")) == NULL)
  {
    return FALSE;
  }
  if ((p_rsa = PEM_read_RSAPublicKey(file, NULL, NULL, NULL)) == NULL)
  {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    return FALSE;
  }
  rsa_len = RSA_size(p_rsa);
  if (RSA_public_decrypt(rsa_len, (unsigned char*)in, (unsigned char*)out, p_rsa, RSA_NO_PADDING) < 0)
  {
    return FALSE;
  }
  RSA_free(p_rsa);
  fclose(file);
  return TRUE;
}

当我们需要使用公钥加密时可以调用public_rsa_encrypt函数并依次传入加密前的字符串，公钥路径以及加密后的存储位置，当需要解密时则调用private_rsa_decrypt函数实现对加密字符串的解密操作，使用代码如下所示；

int main(int argc, char* argv[])
{
  char text[128] = "hello lyshark";

  char public_key[] = "d://public.rsa";
  char encry[128] = { 0 };

  char private_key[] = "d://private.rsa";
  char decry[128] = { 0 };

  // 公钥加密
  if (public_rsa_encrypt(text, public_key, encry))
  {
    printf("[公钥加密] 加密长度: %d \n", strlen((char*)encry));
  }

  // 私钥解密
  if (private_rsa_decrypt(encry, private_key, decry))
  {
    printf("[私钥解密] 解密长度: %d \n", strlen((char*)decry));
  }

  printf("解密数据: %s \n", decry);

  system("pause");
  return 0;
}

读者可自行编译并运行上述代码，即可看到加解密数据输出，如下图所示；

将这个流程反过来使用，使用私钥对数据进行加密，使用公钥实现解密，代码如下所示；

int main(int argc, char* argv[])
{
  char text[128] = "hello lyshark";

  char public_key[] = "d://public.rsa";
  char encry[128] = { 0 };

  char private_key[] = "d://private.rsa";
  char decry[128] = { 0 };

  // 私钥加密
  if (private_rsa_encrypt(text, private_key, encry))
  {
    printf("[私钥加密] 加密长度: %d \n", strlen((char*)encry));
  }

  // 公钥解密
  if (public_rsa_decrypt(encry, public_key, decry))
  {
    printf("[公钥解密] 解密长度: %d \n", strlen((char*)decry));
  }

  printf("解密数据: %s \n", decry);

  system("pause");
  return 0;
}

私钥加密公钥解密，输出效果图如下所示；

20.5.2 加密传输字符串

当具备了上述加解密函数实现流程后，接下来就可以实现针对字符串的加密传输功能了，因为我们采用的是1024位的密钥所以每次只能传输128个字符，为了能传输大量字符则需要对字符进行分块，通过CutSplit()函数将字符串每100个字符切割一次，然后在客户端中先使用公钥对其进行加密，加密后分块每次传输一批次的加密数据即可，直到将完整的字符串发送完成为止。

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <WS2tcpip.h>
#include <openssl/err.h>
#include <openssl/rsa.h>
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/crypto.h>

extern "C"
{
#include <openssl/applink.c>
}

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#pragma comment(lib,"libssl.lib")
#pragma comment(lib,"libcrypto.lib")

// 使用公钥加密
int public_rsa_encrypt(char* in, char* key_path, char* out)
{
  RSA* p_rsa;
  FILE* file;
  int rsa_len;
  if ((file = fopen(key_path, "r")) == NULL)
  {
    return 0;
  }
  if ((p_rsa = PEM_read_RSAPublicKey(file, NULL, NULL, NULL)) == NULL)
  {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    return 0;
  }
  rsa_len = RSA_size(p_rsa);
  if (RSA_public_encrypt(rsa_len, (unsigned char*)in, (unsigned char*)out, p_rsa, RSA_NO_PADDING) < 0)
  {
    return 0;
  }
  RSA_free(p_rsa);
  fclose(file);
  return 1;
}

// 实现对字符串指定位置进行剪切
char* Cut(char* buffer, int offset, int length)
{
  char Split[100] = { 0 };
  memset(Split, 0, 100);
  strncpy(Split, buffer + offset, length);
  return Split;
}

// 循环剪切字符串
int CutSplit(char* buf, char len, OUT char Split[][1024])
{
  int count = 0;

  // 每次剪切len大小
  for (int x = 0; x < strlen(buf); x += len)
  {
    char* ref = Cut(buf, x, len);
    strcpy(Split[count], ref);
    count += 1;
  }
  return count;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
  char buf[8192] = "The National Aeronautics and Space Administration is America.";

  WSADATA WSAData;
  
  // 初始化套接字库
  if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 0), &WSAData))
  {
    return 0;
  }

  // 建立Socket套接字
  SOCKET client_socket;
  client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

  struct sockaddr_in ClientAddr;
  ClientAddr.sin_family = AF_INET;
  ClientAddr.sin_port = htons(9999);
  ClientAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

  // 连接到服务端
  if (connect(client_socket, (LPSOCKADDR)&ClientAddr, sizeof(ClientAddr)) != SOCKET_ERROR)
  {
    char SplitArray[100][1024] = { 0 };

    // 切割字符串,每100个字符切割一次
    int count = CutSplit(buf, 100, SplitArray);

    // 发送发包次数
    std::cout << "发包次数: " << count << std::endl;
    char send_count[1024] = { 0 };
    sprintf(send_count, "%d", count);
    send(client_socket, send_count, strlen(send_count), 0);

    // 循环发送数据包
    for (int x = 0; x < count; x++)
    {
      std::cout << "原始数据包: " << SplitArray[x] << std::endl;

      char public_key[] = "d://public.rsa";
      char encry[1024] = { 0 };

      // 公钥加密
      if (public_rsa_encrypt(SplitArray[x], public_key, encry))
      {
        std::cout << "RSA 加密长度: " << strlen((char*)encry) << std::endl;
      }

      // 发送加密后的数据包
      send(client_socket, encry, 1024, 0);
      memset(buf, 0, sizeof(buf));
      memset(encry, 0, sizeof(encry));
    }
    closesocket(client_socket);
    WSACleanup();
  }

  system("pause");
  return 0;
}

而对于服务端代码实现部分则需要与客户端保持一致，服务端发送多少次客户端就接收多少次，首先服务端接收需要接收的数据包次数，并以此作为循环条件使用，通过不间断的循环接受数据包，并调用private_rsa_decrypt完成数据包的解密工作，最终将数据包拼接成recv_message_all并输出完整包。

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <WS2tcpip.h>
#include <openssl/err.h>
#include <openssl/rsa.h>
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/crypto.h>

extern "C"
{
#include <openssl/applink.c>
}

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#pragma comment(lib,"libssl.lib")
#pragma comment(lib,"libcrypto.lib")

// 使用私钥解密
int private_rsa_decrypt(char* in, char* key_path, char* out)
{
  RSA* p_rsa;
  FILE* file;
  int rsa_len;
  if ((file = fopen(key_path, "r")) == NULL)
  {
    return 0;
  }
  if ((p_rsa = PEM_read_RSAPrivateKey(file, NULL, NULL, NULL)) == NULL)
  {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    return 0;
  }
  rsa_len = RSA_size(p_rsa);
  if (RSA_private_decrypt(rsa_len, (unsigned char*)in, (unsigned char*)out, p_rsa, RSA_NO_PADDING) < 0)
  {
    return 0;
  }
  RSA_free(p_rsa);
  fclose(file);
  return 1;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
  WSADATA WSAData;

  // 初始化套接字库
  if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 0), &WSAData))
  {
    return 0;
  }

  // 建立Socket套接字
  SOCKET server_socket;
  server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

  struct sockaddr_in ServerAddr;
  ServerAddr.sin_family = AF_INET;
  ServerAddr.sin_port = htons(9999);
  ServerAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

  // 绑定套接字
  bind(server_socket, (LPSOCKADDR)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr));
  listen(server_socket, 10);

  SOCKET message_socket;

  // 接收并拼接数据
  char recv_message_all[8109] = { 0 };

  if ((message_socket = accept(server_socket, (LPSOCKADDR)0, (int*)0)) != INVALID_SOCKET)
  {
    // 接收需要获取的次数
    char recv_count[1024] = { 0 };
    recv(message_socket, recv_count, 1024, 0);
    std::cout << "收包次数: " << recv_count << std::endl;

    for (int x = 0; x < atoi(recv_count); x++)
    {
      // 接收加密后的数据包
      char buf[1024] = { 0 };
      recv(message_socket, buf, 1024, 0);

      // 私钥解密
      char private_key[] = "d://private.rsa";
      char decry[1024] = { 0 };

      // 调用解密函数
      if (private_rsa_decrypt(buf, private_key, decry))
      {
        std::cout << "RSA 解密长度: " << strlen((char*)decry) << std::endl;
      }

      std::cout << "RSA 解密数据包: " << decry << std::endl;

      // 组合数据包
      strCut(recv_message_all, decry);
      memset(buf, 0, sizeof(buf));
      memset(decry, 0, sizeof(decry));
    }
    closesocket(message_socket);

    // 输出最终数据包
    std::cout << std::endl;
    std::cout << "组合数据包: " << recv_message_all << std::endl;
  }
  closesocket(server_socket);
  WSACleanup();

  system("pause");
  return 0;
}

读者可自行填充客户端中的buf待发送字符串长度，填充好以后首先运行服务端，接着运行客户端，此时数据包将会被加密传输，在对端解密并输出如下图所示的结果；