続・今時の暗号通信

はじめに

前回の続きで、鍵交換までできたので暗号通信してみようという話
まあ、AES-GCM使っておけば良いでしょうという雰囲気なのでその通りにする

鍵交換

で鍵交換しているので、これを AES の共通鍵として使う

コードは前回同様 Java と C#（.NET 8）

暗号化（Java）

処理としては以下の手順になる

1. IVを生成
2. GCMParameterSpecを生成
3. 暗号化
4. IVとつなげて送信

重要なのは同じ鍵で同じIVを使わないこと、必ず暗号文生成のたびにIVを作る
同じIVを使いまわすと秘密鍵漏洩の可能性がある

今回は暗号文とIVをつなげてやり取りするようにしているので、暗号文は平文より必ず12Bytes多くなってしまう（タグもあるのでもっと増えるけど）
これがキツいような用途では前のIVから決まった変化をするような仕組みを用意しても良いが、一度出た値が二度と出ないように注意しないといけないことと、ズレると復号できなくなるので、エラー処理とか面倒になる可能性が高いことを考慮しないといけない

あと、Javaではタグがつながって返ってくるので、C#で使うときは分離する必要がある（後ろの16Bytesがタグ）

コードとしては単純でこれだけ、aesKey は前回の鍵交換で取得したもの

public byte[] encryptAes(byte[] src)
{
    try {
        // IV を生成（IVは12バイトが推奨されているらしい）
        byte[] nonce = new byte[12];
        new SecureRandom().nextBytes(nonce);
        
        // GCMParameterSpec を生成（128はタグの長さ）
        GCMParameterSpec spec = new GCMParameterSpec(128, nonce);
        // 暗号化
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(aesKey, "AES"), spec);
        // IV とつなげて返す（これを送信すれば良い）
        return concatBuffer(nonce, cipher.doFinal(src));
    }
    catch (Exception e) {
        Log.write("encryptAes exception: " + e.toString());
        return null;
    }
}

// 2つの byte[] を連結
// なんか分かりやすくてお気に入りなので ByteArrayOutputStreamを使っているけど、多分 System.arraycopy とかの方が速い
private static byte[] concatBuffer(byte[] src1, byte[] src2)
{
    try {
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream(src1.length + src2.length);
        bos.write(src1);
        bos.write(src2);
        return bos.toByteArray();
    }
    catch (Exception e) {
        Log.write("concatBuffer exception: " + e.toString());
        return null;
    }
}

暗号化（C#）

こちらもIVを生成して暗号化、つなげるところは同様
ただ、C#だとタグは別扱いしないといけない
aesKey は Java の時と同じ

public byte[] EncryptAes(byte[] src)
{
    // IV を生成
    byte[] nonce = new byte[12];
    RandomNumberGenerator.Fill(nonce);

    // 暗号文用のバッファとタグ用のバッファを別々に用意する
    byte[] ciphertext = new byte[src.Length];
    byte[] tag = new byte[16];

    // 暗号化（16はタグの長さ）
    using var aes = new AesGcm(aesKey, 16);
    aes.Encrypt(nonce, src, ciphertext, tag);

    // 全部つなげて返す（本筋では無いのでパフォーマンス無視なやり方、気になるなら変えましょう）
    byte[] ret_temp = ConcatBuffer(nonce, ciphertext);
    byte[] ret = ConcatBuffer(ret_temp, tag);
    return ret;
}

private static byte[] ConcatBuffer(byte[] src1, byte[] src2)
{
    byte[] result = new byte[src1.Length + src2.Length];
    Buffer.BlockCopy(src1, 0, result, 0, src1.Length);
    Buffer.BlockCopy(src2, 0, result, src1.Length, src2.Length);
    return result;
}

復号化（Java）

IV を分離して、GCMParameterSpecを生成、そして復号という流れ
というわけで、渡す enc_data は上で作ったように IV が先に入っている必要あり
encryptAes の返値をそのまま渡す感じになる

aesKey は暗号化と同じく、鍵交換で取得したもの

public byte[] decryptAes(byte[] enc_data)
{
    try {
        // IV と暗号文を分離
        byte[] nonce = new byte[12];
        System.arraycopy(enc_data, 0, nonce, 0, nonce.length);
        byte[] enc_raw = new byte[enc_data.length - nonce.length];
        System.arraycopy(enc_data, nonce.length, enc_raw, 0, enc_raw.length);

        // GCMParameterSpec を生成して復号化
        GCMParameterSpec spec = new GCMParameterSpec(128, nonce);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(aesKey, "AES"), spec);
        return cipher.doFinal(enc_raw);
    }
    catch (Exception e) {
        Log.write("decryptAes exception: " + e.toString());
        return null;
    }
}

復号化（C#）

.NET ではタグを分離しないといけない、というわけで、IV, 暗号文, タグに分離して使う

public byte[] DecryptAes(byte[] src)
{
    // IV, 暗号文, タグに分離
    byte[] nonce = new byte[12];
    byte[] tag = new byte[16];
    int cipherLen = src.Length - nonce.Length - tag.Length;
    byte[] cipherText = new byte[cipherLen];
    Buffer.BlockCopy(src, 0, nonce, 0, nonce.Length);
    Buffer.BlockCopy(src, nonce.Length, cipherText, 0, cipherLen);
    Buffer.BlockCopy(src, src.Length - tag.Length, tag, 0, tag.Length);

    // 復号化（16はタグの長さ）
    byte[] ret = new byte[cipherLen];
    using var aes = new AesGcm(aesKey, 16);
    aes.Decrypt(nonce, cipherText, tag, ret);
    return ret;
}