cryptography - OpenSSL ECC を使用したテキスト文字列の暗号化/復号化

Question

OpenSSL の ECC サポートを使用してテキスト文字列を暗号化または復号化するにはどうすればよいですか? OpenSSL API を使用して ECC 秘密/公開キーを生成できますが、それらのキーを使用してプレーンテキストを暗号化する方法がわかりません。

score 18 · Accepted Answer

ECC を使用してデータを暗号化する方法を示す例を見つけるのは非常に難しいので、他の人が使用できるようにいくつかのコードを投稿すると思いました。完全なリストについては、私の openssl-dev の投稿をご覧ください。

http://www.mail-archive.com/openssl-dev@openssl.org/msg28042.html

基本的には、ECDH を使用してデータブロックを保護する方法のフラッシュアウトされた使用可能なバージョンです。ECDH は、共有シークレットを生成するために使用されます。次に、共有シークレットは SHA 512 を使用してハッシュされます。結果の 512 ビットが分割され、256 ビットが対称暗号 (私の例では AES 256) のキーとして機能し、残りの 256 ビットが HMAC のキーとして使用されます。私の実装は、SECG ワーキンググループによって概説された ECIES 標準に大まかに基づいています。

主要な関数は ecies_encrypt() で、公開鍵を 16 進形式で受け取り、暗号化されたデータを返します。

secure_t * ecies_encrypt(char *key, unsigned char *data, size_t length) {

void *body;
HMAC_CTX hmac;
int body_length;
secure_t *cryptex;
EVP_CIPHER_CTX cipher;
unsigned int mac_length;
EC_KEY *user, *ephemeral;
size_t envelope_length, block_length, key_length;
unsigned char envelope_key[SHA512_DIGEST_LENGTH], iv[EVP_MAX_IV_LENGTH], block[EVP_MAX_BLOCK_LENGTH];

// Simple sanity check.
if (!key || !data || !length) {
    printf("Invalid parameters passed in.\n");
    return NULL;
}

// Make sure we are generating enough key material for the symmetric ciphers.
if ((key_length = EVP_CIPHER_key_length(ECIES_CIPHER)) * 2 > SHA512_DIGEST_LENGTH) {
    printf("The key derivation method will not produce enough envelope key material for the chosen ciphers. {envelope = %i / required = %zu}", SHA512_DIGEST_LENGTH / 8,
            (key_length * 2) / 8);
    return NULL;
}

// Convert the user's public key from hex into a full EC_KEY structure.
if (!(user = ecies_key_create_public_hex(key))) {
    printf("Invalid public key provided.\n");
    return NULL;
}

// Create the ephemeral key used specifically for this block of data.
else if (!(ephemeral = ecies_key_create())) {
    printf("An error occurred while trying to generate the ephemeral key.\n");
    EC_KEY_free(user);
    return NULL;
}

// Use the intersection of the provided keys to generate the envelope data used by the ciphers below. The ecies_key_derivation() function uses
// SHA 512 to ensure we have a sufficient amount of envelope key material and that the material created is sufficiently secure.
else if (ECDH_compute_key(envelope_key, SHA512_DIGEST_LENGTH, EC_KEY_get0_public_key(user), ephemeral, ecies_key_derivation) != SHA512_DIGEST_LENGTH) {
    printf("An error occurred while trying to compute the envelope key. {error = %s}\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
    EC_KEY_free(ephemeral);
    EC_KEY_free(user);
    return NULL;
}

// Determine the envelope and block lengths so we can allocate a buffer for the result.
else if ((block_length = EVP_CIPHER_block_size(ECIES_CIPHER)) == 0 || block_length > EVP_MAX_BLOCK_LENGTH || (envelope_length = EC_POINT_point2oct(EC_KEY_get0_group(
        ephemeral), EC_KEY_get0_public_key(ephemeral), POINT_CONVERSION_COMPRESSED, NULL, 0, NULL)) == 0) {
    printf("Invalid block or envelope length. {block = %zu / envelope = %zu}\n", block_length, envelope_length);
    EC_KEY_free(ephemeral);
    EC_KEY_free(user);
    return NULL;
}

// We use a conditional to pad the length if the input buffer is not evenly divisible by the block size.
else if (!(cryptex = secure_alloc(envelope_length, EVP_MD_size(ECIES_HASHER), length, length + (length % block_length ? (block_length - (length % block_length)) : 0)))) {
    printf("Unable to allocate a secure_t buffer to hold the encrypted result.\n");
    EC_KEY_free(ephemeral);
    EC_KEY_free(user);
    return NULL;
}

// Store the public key portion of the ephemeral key.
else if (EC_POINT_point2oct(EC_KEY_get0_group(ephemeral), EC_KEY_get0_public_key(ephemeral), POINT_CONVERSION_COMPRESSED, secure_key_data(cryptex), envelope_length,
        NULL) != envelope_length) {
    printf("An error occurred while trying to record the public portion of the envelope key. {error = %s}\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
    EC_KEY_free(ephemeral);
    EC_KEY_free(user);
    secure_free(cryptex);
    return NULL;
}

// The envelope key has been stored so we no longer need to keep the keys around.
EC_KEY_free(ephemeral);
EC_KEY_free(user);

// For now we use an empty initialization vector.
memset(iv, 0, EVP_MAX_IV_LENGTH);

// Setup the cipher context, the body length, and store a pointer to the body buffer location.
EVP_CIPHER_CTX_init(&cipher);
body = secure_body_data(cryptex);
body_length = secure_body_length(cryptex);

// Initialize the cipher with the envelope key.
if (EVP_EncryptInit_ex(&cipher, ECIES_CIPHER, NULL, envelope_key, iv) != 1 || EVP_CIPHER_CTX_set_padding(&cipher, 0) != 1 || EVP_EncryptUpdate(&cipher, body,
        &body_length, data, length - (length % block_length)) != 1) {
    printf("An error occurred while trying to secure the data using the chosen symmetric cipher. {error = %s}\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
    EVP_CIPHER_CTX_cleanup(&cipher);
    secure_free(cryptex);
    return NULL;
}

// Check whether all of the data was encrypted. If they don't match up, we either have a partial block remaining, or an error occurred.
else if (body_length != length) {

    // Make sure all that remains is a partial block, and their wasn't an error.
    if (length - body_length >= block_length) {
        printf("Unable to secure the data using the chosen symmetric cipher. {error = %s}\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
        EVP_CIPHER_CTX_cleanup(&cipher);
        secure_free(cryptex);
        return NULL;
    }

    // Copy the remaining data into our partial block buffer. The memset() call ensures any extra bytes will be zero'ed out.
    memset(block, 0, EVP_MAX_BLOCK_LENGTH);
    memcpy(block, data + body_length, length - body_length);

    // Advance the body pointer to the location of the remaining space, and calculate just how much room is still available.
    body += body_length;
    if ((body_length = secure_body_length(cryptex) - body_length) < 0) {
        printf("The symmetric cipher overflowed!\n");
        EVP_CIPHER_CTX_cleanup(&cipher);
        secure_free(cryptex);
        return NULL;
    }

    // Pass the final partially filled data block into the cipher as a complete block. The padding will be removed during the decryption process.
    else if (EVP_EncryptUpdate(&cipher, body, &body_length, block, block_length) != 1) {
        printf("Unable to secure the data using the chosen symmetric cipher. {error = %s}\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
        EVP_CIPHER_CTX_cleanup(&cipher);
        secure_free(cryptex);
        return NULL;
    }
}

// Advance the pointer, then use pointer arithmetic to calculate how much of the body buffer has been used. The complex logic is needed so that we get
// the correct status regardless of whether there was a partial data block.
body += body_length;
if ((body_length = secure_body_length(cryptex) - (body - secure_body_data(cryptex))) < 0) {
    printf("The symmetric cipher overflowed!\n");
    EVP_CIPHER_CTX_cleanup(&cipher);
    secure_free(cryptex);
    return NULL;
}

else if (EVP_EncryptFinal_ex(&cipher, body, &body_length) != 1) {
    printf("Unable to secure the data using the chosen symmetric cipher. {error = %s}\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
    EVP_CIPHER_CTX_cleanup(&cipher);
    secure_free(cryptex);
    return NULL;
}

EVP_CIPHER_CTX_cleanup(&cipher);

// Generate an authenticated hash which can be used to validate the data during decryption.
HMAC_CTX_init(&hmac);
mac_length = secure_mac_length(cryptex);

// At the moment we are generating the hash using encrypted data. At some point we may want to validate the original text instead.
if (HMAC_Init_ex(&hmac, envelope_key + key_length, key_length, ECIES_HASHER, NULL) != 1 || HMAC_Update(&hmac, secure_body_data(cryptex), secure_body_length(cryptex))
        != 1 || HMAC_Final(&hmac, secure_mac_data(cryptex), &mac_length) != 1) {
    printf("Unable to generate a data authentication code. {error = %s}\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
    HMAC_CTX_cleanup(&hmac);
    secure_free(cryptex);
    return NULL;
}

HMAC_CTX_cleanup(&hmac);

return cryptex;
}

また、ecies_decrypt() は秘密鍵を 16 進数形式で取得し、以前に保護されたバッファーを復号化します。

unsigned char * ecies_decrypt(char *key, secure_t *cryptex, size_t *length) {

HMAC_CTX hmac;
size_t key_length;
int output_length;
EVP_CIPHER_CTX cipher;
EC_KEY *user, *ephemeral;
unsigned int mac_length = EVP_MAX_MD_SIZE;
unsigned char envelope_key[SHA512_DIGEST_LENGTH], iv[EVP_MAX_IV_LENGTH], md[EVP_MAX_MD_SIZE], *block, *output;

// Simple sanity check.
if (!key || !cryptex || !length) {
    printf("Invalid parameters passed in.\n");
    return NULL;
}

// Make sure we are generating enough key material for the symmetric ciphers.
else if ((key_length = EVP_CIPHER_key_length(ECIES_CIPHER)) * 2 > SHA512_DIGEST_LENGTH) {
    printf("The key derivation method will not produce enough envelope key material for the chosen ciphers. {envelope = %i / required = %zu}", SHA512_DIGEST_LENGTH / 8,
            (key_length * 2) / 8);
    return NULL;
}

// Convert the user's public key from hex into a full EC_KEY structure.
else if (!(user = ecies_key_create_private_hex(key))) {
    printf("Invalid private key provided.\n");
    return NULL;
}

// Create the ephemeral key used specifically for this block of data.
else if (!(ephemeral = ecies_key_create_public_octets(secure_key_data(cryptex), secure_key_length(cryptex)))) {
    printf("An error occurred while trying to recreate the ephemeral key.\n");
    EC_KEY_free(user);
    return NULL;
}

// Use the intersection of the provided keys to generate the envelope data used by the ciphers below. The ecies_key_derivation() function uses
// SHA 512 to ensure we have a sufficient amount of envelope key material and that the material created is sufficiently secure.
else if (ECDH_compute_key(envelope_key, SHA512_DIGEST_LENGTH, EC_KEY_get0_public_key(ephemeral), user, ecies_key_derivation) != SHA512_DIGEST_LENGTH) {
    printf("An error occurred while trying to compute the envelope key. {error = %s}\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
    EC_KEY_free(ephemeral);
    EC_KEY_free(user);
    return NULL;
}

// The envelope key material has been extracted, so we no longer need the user and ephemeral keys.
EC_KEY_free(ephemeral);
EC_KEY_free(user);

// Use the authenticated hash of the ciphered data to ensure it was not modified after being encrypted.
HMAC_CTX_init(&hmac);

// At the moment we are generating the hash using encrypted data. At some point we may want to validate the original text instead.
if (HMAC_Init_ex(&hmac, envelope_key + key_length, key_length, ECIES_HASHER, NULL) != 1 || HMAC_Update(&hmac, secure_body_data(cryptex), secure_body_length(cryptex))
        != 1 || HMAC_Final(&hmac, md, &mac_length) != 1) {
    printf("Unable to generate the authentication code needed for validation. {error = %s}\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
    HMAC_CTX_cleanup(&hmac);
    return NULL;
}

HMAC_CTX_cleanup(&hmac);

// We can use the generated hash to ensure the encrypted data was not altered after being encrypted.
if (mac_length != secure_mac_length(cryptex) || memcmp(md, secure_mac_data(cryptex), mac_length)) {
    printf("The authentication code was invalid! The ciphered data has been corrupted!\n");
    return NULL;
}

// Create a buffer to hold the result.
output_length = secure_body_length(cryptex);
if (!(block = output = malloc(output_length + 1))) {
    printf("An error occurred while trying to allocate memory for the decrypted data.\n");
    return NULL;
}

// For now we use an empty initialization vector. We also clear out the result buffer just to be on the safe side.
memset(iv, 0, EVP_MAX_IV_LENGTH);
memset(output, 0, output_length + 1);

EVP_CIPHER_CTX_init(&cipher);

// Decrypt the data using the chosen symmetric cipher.
if (EVP_DecryptInit_ex(&cipher, ECIES_CIPHER, NULL, envelope_key, iv) != 1 || EVP_CIPHER_CTX_set_padding(&cipher, 0) != 1 || EVP_DecryptUpdate(&cipher, block,
        &output_length, secure_body_data(cryptex), secure_body_length(cryptex)) != 1) {
    printf("Unable to decrypt the data using the chosen symmetric cipher. {error = %s}\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
    EVP_CIPHER_CTX_cleanup(&cipher);
    free(output);
    return NULL;
}

block += output_length;
if ((output_length = secure_body_length(cryptex) - output_length) != 0) {
    printf("The symmetric cipher failed to properly decrypt the correct amount of data!\n");
    EVP_CIPHER_CTX_cleanup(&cipher);
    free(output);
    return NULL;
}

if (EVP_DecryptFinal_ex(&cipher, block, &output_length) != 1) {
    printf("Unable to decrypt the data using the chosen symmetric cipher. {error = %s}\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
    EVP_CIPHER_CTX_cleanup(&cipher);
    free(output);
    return NULL;
}

EVP_CIPHER_CTX_cleanup(&cipher);

*length = secure_orig_length(cryptex);
return output;
}

個人的には、ECC と OpenSSL ライブラリを使用してファイルを保護する方法の例が他に見つからなかったため、これを投稿しています。とはいえ、OpenSSL を使用しない代替手段について言及する価値はあります。1 つはセキュアで、私の例と同様のパターンに従いますが、libgcrypt に依存しているだけです。libgcrypt は必要な基礎となる ECC 機能のすべてを提供するわけではないため、secure プログラムはギャップを埋め、libgcrypt に欠けている ECC ロジックを実装します。

注目に値するもう 1 つのプログラムは SKS です。SKS は、上記の例と同様の ECC ベースの暗号化プロセスを使用しますが、外部の依存関係はありません (したがって、すべての ECC コードが表示されます)。

score 12 · Accepted Answer

ECC 自体は、実際には暗号化/復号化操作を定義していません。楕円曲線に基づいて構築されたアルゴリズムが定義しています。

1 つの例は、楕円曲線 Diffie-Hellman です。次の方法で、ECDH を使用してメッセージを暗号化できます。

一時的な EC キーの生成。
その鍵と受信者の公開鍵を使用して、ECDH を使用してシークレットを生成します。
そのシークレットをキーとして使用して、AES などの対称暗号でメッセージを暗号化します。
暗号化されたメッセージと、手順 1 で生成された一時的な公開キーを送信します。

復号化するには:

メッセージから一時公開鍵をロードします。
その公開鍵を受信者の秘密鍵と一緒に使用して、ECDH を使用してシークレットを生成します。
そのシークレットを鍵として使用して、対称暗号でメッセージを復号化します。

編集:以下は、ECDH を使用してシークレットを生成するための基本的な考え方です。最初にキー派生関数を定義する必要があります。これは SHA1 ハッシュを使用します。

void *KDF1_SHA1(const void *in, size_t inlen, void *out, size_t *outlen)
{
    if (*outlen < SHA_DIGEST_LENGTH)
        return NULL;
    else
        *outlen = SHA_DIGEST_LENGTH;
    return SHA1(in, inlen, out);
}

これは、送信側の ECDH コードです。受信者の公開鍵が既に「recip_key」にあり、EC_KEY_check_key() で検証済みであることを前提としています。また、簡潔にするために、多くの重要なエラーチェックが省略されています。

EC_KEY *ephemeral_key = NULL;
const EC_GROUP *group = NULL;
unsigned char buf[SHA_DIGEST_LENGTH] = { 0 };

group = EC_KEY_get0_group(recip_key);
ephemeral_key = EC_KEY_new();
EC_KEY_set_group(ephemeral_key, group);

EC_KEY_generate_key(ephemeral_key);
ECDH_compute_key(buf, sizeof buf, EC_KEY_get0_public_key(recip_key), ephemeral_key, KDF1_SHA1);

この後、バッファ 'buf' には、キーイングに使用できる 20 バイトのデータが含まれます。この簡略化された例は、openssl ソース配布の「ecdhtest.c」のコードに基づいています。これを参照することをお勧めします。

暗号化されたメッセージで ephemeral_key の公開鍵部分を送信し、秘密鍵部分を安全に破棄する必要があります。データに対する MAC も良い考えです。20 バイトを超える鍵情報が必要な場合は、おそらくより長いハッシュが適しています。

受信者も同様のことを行いますが、秘密鍵が既に存在し (送信者は対応する公開鍵を事前に知っている必要があるため)、公開鍵は送信者から受信されます。

cryptography - OpenSSL ECC を使用したテキスト文字列の暗号化/復号化

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