密碼管理器的實現

時間 2019-12-12

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密碼管理器的實現

軟件依賴

gcc編譯環境
Cryptopp運行環境

軟件描述

軟件的功能描述：安全

登錄密碼管理器
添加域名密碼對到密碼管理器
移除域名密碼對到密碼管理器
查看指定域名的密碼
修改指定域名的密碼
驗證存儲文件是否被修改
註冊新用戶

軟件的架構圖：架構

登陸功能：
檢查用戶是否第一次使用該系統。函數

若是是，則根據用戶的密碼做爲master password，經過AES加密後存儲起來（使用的是代碼中固定的initKey和initIv），保存在相應的文件中，如Wsine.dat文件，一個用戶一個數據文件。網站

若是否，加載用戶的數據，對於master password進行AES解密操做（使用的是代碼中固定的initKey和initIv），與登錄密碼相比較，判斷是否登錄成功。編碼

完整性檢查：
當用戶登陸成功的時候，加載用戶保存的域名密鑰對，對於每一個域名計算它的哈希值（使用的是master password擴展後的key），與記錄的哈希值進行比較，若是有任一不匹配，則說明文件被人爲修改過，完整性被破壞。不然爲完整文件。加密

插入鍵值對：
登錄成功的狀況下，查找該域名是否已經存儲。
若是否，對master password經過pbkdf2放縮至16位（使用的pwd是initKey），計算域名的哈希值（使用的是master password擴展後的key），將網站密碼進行AES加密（使用的是master password擴展後的key和代碼中固定的initIv），加密後添加到用戶數據中。
若是是，提示域名密碼對已存在。命令行

刪除鍵值對：
登錄成功的狀況下，查找該域名是否已經存儲。code

若是是，將該域名對移除。orm

若是否，提示域名密碼對不存在。blog

查詢鍵值對：
登錄成功的前提下，查找該域名是否已經存儲。
若是是，對master password經過pbkdf2放縮至16位（使用的pwd是initKey），將網站密碼進行AES解密（使用的是master password擴展後的key和代碼中固定的initIv），解密後返回給用戶。

若是否，提示域名密碼對不存在。

修改鍵值對：
登錄成功的前提下，查找該域名是否已經存儲。

若是是，對master password經過pbkdf2放縮至16位（使用的pwd是initKey），將新的網站密碼進行AES加密（使用的是master password擴展後的key和代碼中固定的initIv），替換掉原來的網站密碼。

若是否，提示域名密碼對不存在。

IO操做：

因爲使用到了文件存儲，所以須要進行IO操做，AES加密後的結果有不可輸出的字符存在，所以所有的保存到文件中的hash值和password值都使用16進制數來保存，加載的時候須要對其進行從新編碼。

代碼實現

該軟件的實現方式遵循UNIX的命令行準則，使用get_opt()接口來進行命令行參數解析，使用assert進行參數檢查，使用try catch進行運行時檢查。

對於實驗中使用到的密碼管理的接口，都封裝到了PasswordManagerHelper類中。

類圖一覽：

重要參數解析：

AES加密函數：

string PasswordManagerHelper::AESCBCEncrypt(const string& plaintext, const byte *key, const byte *iv) {
    string ciphertext;
    try {
        AES::Encryption aesEncryption(key, AES::DEFAULT_KEYLENGTH);
        CBC_Mode_ExternalCipher::Encryption cbcEncryption(aesEncryption, iv);

        StreamTransformationFilter stfEncryptor(cbcEncryption, new StringSink(ciphertext));
        stfEncryptor.Put(reinterpret_cast<const byte*>(plaintext.c_str()), plaintext.length() + 1);
        stfEncryptor.MessageEnd();
    } catch (const CryptoPP::Exception& e) {
        cerr << e.what() << endl;
        exit(1);
    }
    return ciphertext;
}

該函數對原文進行加密操做，須要傳入一個key和一個initialization vector，使用的塊加密模式是CBC模式。

AES解密函數：

string PasswordManagerHelper::AESCBCDecrypt(const string& ciphertext, const byte *key, const byte *iv) {
    string plaintext;
    try {
        AES::Decryption aesDecryption(key, AES::DEFAULT_KEYLENGTH);
        CBC_Mode_ExternalCipher::Decryption cbcDecryption(aesDecryption, iv);

        StreamTransformationFilter stfDecryptor(cbcDecryption, new StringSink(plaintext));
        stfDecryptor.Put(reinterpret_cast<const byte*>(ciphertext.c_str()), ciphertext.size());
        stfDecryptor.MessageEnd();
    } catch (const CryptoPP::Exception& e) {
        cerr << e.what() << endl;
        exit(1);
    }
    return plaintext;
}

該函數是對密文進行解密操做，須要傳入一個key和一個initialization vector，使用的塊解密模式是CBC。

擴展key函數：

string PasswordManagerHelper::expandKey(const string& key, const string& pwd) {
    string decoderPwd, decoderIv, result;
    
    try {
        Base64Decoder decoder1(new StringSink(decoderPwd));
        decoder1.Put((const byte*)pwd.data(), pwd.size());
        decoder1.MessageEnd();

        Base64Decoder decoder2(new StringSink(decoderIv));
        decoder2.Put((const byte*)key.data(), key.size());
        decoder2.MessageEnd();

        int c = 100;
        byte derived[8];
        PKCS5_PBKDF2_HMAC<CryptoPP::SHA1> pbkdf2;
        pbkdf2.DeriveKey(derived, sizeof(derived), 0, (byte*)decoderPwd.data(), decoderPwd.size(), 
                            (byte*)decoderIv.data(), decoderIv.size(), c);

        HexEncoder encoder(new StringSink(result));
        encoder.Put(derived, sizeof(derived));
        encoder.MessageEnd();

    } catch (const CryptoPP::Exception& e) {
        cerr << e.what() << endl;
        exit(1);
    }

    return result;
}

該函數使用pbkdf2進行擴展，這裏須要一個pwd進行擴展，使用的方式是SHA1，雖然比較短可是截止到我作實驗爲止世界上尚未人破解，那麼久認爲它是安全的。在本次實驗選擇使用initKey來擴展，返回值是擴展後的結果，對輸入的值進行了解碼和從新編碼，選擇使用16進制。

Hash函數：

string PasswordManagerHelper::hash(const string& message, const string& key) {
    string mac, encoded;
    try {
        HMAC<SHA1> hmac((byte*)key.c_str(), key.length());
        StringSource(message, true, new HashFilter(hmac, new StringSink(mac)));
        encoded.clear();
        StringSource(mac, true, new Base64Encoder(new StringSink(encoded)));
    } catch (const CryptoPP::Exception& e) {
        cerr << e.what() << endl;
        exit(1);
    }
    return encoded;
}

該函數經過hmac一個使用了key的hash函數進行哈希計算，輸出的值通過從新編碼後再返回。