格式保留加密

此库提供了用于零信任环境的格式保留加密（FPE）技术。这些技术基于FPE-FF1，该技术已在NIST:800-38G中描述。

• 格式保留加密 (FPE)
  • 实现
  • 使用FPE
    • 加密文本
      • 加密和解密字母数字文本
      • 加密和解密信用卡号
      • 加密和解密带空格的中文文本
    • 加密整数
    • 加密浮点数
    • 调整
• 基准测试
  • 运行快速入门
  • 运行详细报告（Linux，MacOS）

格式保留加密 (FPE)

FPE旨在在保留明文格式（字母表）的同时加密明文。FPE-FF1是一个标准化算法，使用对称加密，但它的速度和安全性不如AES或ChaCha等标准化的对称（或公钥）加密方法。它仅应在密文容器的格式受到限制的情况下使用（例如，无法更改的固定数据库模式）。

实现

FPE实现遵循NIST对FF1的规范（可在NIST SP 800-38G规范中找到）。

代码基于在GitHub上找到的cosmian_fpe目录，该目录基于str4d/fpe。根据这篇密码分析论文的建议，已将Feistel轮数增加到18。

实现还强制要求 radix^min_len > 1_000_000。对于 Alphabet 和 Integer FPE 功能，以下参数满足此要求

使用FPE

Cosmian FPE 提出了 3 个结构

• fpe::Alphabet 用于加密文本
• fpe::Integer 用于使用不同基数加密整数
• fpe::Float 用于加密浮点数

加密文本

fpe::Alphabet 结构提供使用 alphabet 加密明文的选项。属于字母表的明文字符会被加密，而其他字符在密文中保持其原始位置不变。

可以使用 Alphabet::instantiate() 方法实例化一个字母表

let hexadecimal_alphabet = Alphabet::instantiate("01234567890abcdef").unwrap();

有多个预定义的字母表可用

• 字母表::alpha()
• 字母表::alpha_lower()
• 字母表::alpha_upper()
• 字母表::numeric()
• 字母表::hexa_decimal()
• 字母表::alpha_numeric()
• 字母表::chinese()
• 字母表::latin1sup()
• 字母表::latin1sup_alphanum()

这些字母表可以使用 extend_with 方法轻松扩展

//0-9a-zA-Z
let mut alphabet = Alphabet::alphanumeric();
// add the space character
alphabet.extend_with(" ");

加密和解密字母数字文本

let key = [0_u8; 32];
let tweak = b"unique tweak";

let alphabet = Alphabet::alpha_numeric(); //0-9a-zA-Z

let ciphertext = alphabet.encrypt(&key, tweak, "alphanumeric").unwrap();
assert_eq!("jraqSuFWZmdH", ciphertext);

let plaintext = alphabet.decrypt(&key, tweak, &ciphertext).unwrap();
assert_eq!("alphanumeric", plaintext);

加密和解密信用卡号

let key = [0_u8; 32];
let tweak = b"unique tweak";

let alphabet = Alphabet::numeric(); //0-9

let ciphertext = alphabet
   .encrypt(&key, tweak, "1234-1234-1234-1234")
   .unwrap();
assert_eq!("1415-4650-5562-7272", ciphertext);

let plaintext = alphabet.decrypt(&key, tweak, &ciphertext).unwrap();
assert_eq!("1234-1234-1234-1234", plaintext);

注意：由于破折号字符不是字母表的一部分，它在加密和解密过程中被保留。

加密和解密带空格的中文文本

let key = [0_u8; 32];
let tweak = b"unique tweak";

let mut alphabet = Alphabet::chinese();
// add the space character to the alphabet
alphabet.extend_with(" ");

let ciphertext = alphabet.encrypt(&key, tweak, "天地玄黄 宇宙洪荒").unwrap();
assert_eq!("儖濣鈍媺惐墷礿截媃", ciphertext);

let plaintext = alphabet.decrypt(&key, tweak, &ciphertext).unwrap();
assert_eq!("天地玄黄 宇宙洪荒", plaintext);

注意：由于空格字符被添加到字母表中，它也被加密。

加密整数

fpe::Integer 结构提供加密介于 2（二进制）和 16（十六进制）之间的整数以及此基数的最大幂的能力。

要加密小于 u64::MAX 的十进制整数，请使用

let key = [0_u8; 32];
let tweak = b"unique tweak";

// decimal number with digits 0-9
let radix = 10_u32;
// the number of digits of the biggest number = radix^digits -1
// In this case 6 decimal digits -> 999_999
let digits = 6;

let itg = Integer::instantiate(radix, digits).unwrap();

let ciphertext = itg.encrypt(&key, tweak, 123_456_u64).unwrap();
assert_eq!(110_655_u64, ciphertext);

let plaintext = itg.decrypt(&key, tweak, ciphertext).unwrap();
assert_eq!(123_456_u64, plaintext);

还支持大无符号整数

let key = [0_u8; 32];
let tweak = b"unique tweak";

// decimal number with digits 0-9
let radix = 10_u32;
// the number of digits of the greatest number = radix^digits -1 = 10^20-1
let digits = 20;

// the value to encrypt: 10^17
let value = BigUint::from_str_radix("100000000000000000", radix).unwrap();

let itg = Integer::instantiate(radix, digits).unwrap();

let ciphertext = itg.encrypt_big(&key, tweak, &value).unwrap();
assert_eq!(
   BigUint::from_str_radix("65348521845006160218", radix).unwrap(),
   ciphertext
);

let plaintext = itg.decrypt_big(&key, tweak, &ciphertext).unwrap();
assert_eq!(
   BigUint::from_str_radix("100000000000000000", radix).unwrap(),
   plaintext
);

加密浮点数

fpe::Float 结构提供对加密类型为 f64 的浮点数的支持

let key = [0_u8; 32];
let tweak = b"unique tweak";

let flt = Float::instantiate().unwrap();
let ciphertext = flt.encrypt(&key, tweak, 123_456.789_f64).unwrap();
assert_eq!(1.170438892319619e91_f64, ciphertext);

let plaintext = flt.decrypt(&key, tweak, ciphertext).unwrap();
assert_eq!(123_456.789_f64, plaintext);

调整

Tweaks 是公共参数，应在可能的情况下随着每次加密实例的变化而变化。 Tweaks 在 NIST:800-38G: 附录 C 中描述。没有 tweak 的大小限制。

基准测试

运行快速入门

从当前目录（./crates/fpe）运行 cargo criterion

运行详细报告（Linux，MacOS）

1. 安装 criterion 和 criterion-table

   cargo install cargo-criterion
   cargo install criterion-table
   

2. 从项目根目录运行

   bash ./benches/benches.sh
   

3. 基准测试随后在 ./benches/BENCHMARKS.md 中可用