PKCS（Public Key Cryptography Standards）公钥加密标准包含了一系列公钥密码学标准，其中包含了数据填充的相关规范。

当涉及到块加密算法（例如AES）时，PKCS#7（扩展了PKCS#5）是一种常用的填充方式。

当数据长度不是加密算法所要求块大小（AES块大小为16字节）的整数倍时，就需要使用填充算法来确保数据能够被正确地加密和解密。

PKCS#7

在PKCS#7中，如果数据的长度不是块大小的整数倍，那么会在数据的末尾添加额外的字节来进行填充。填充字节的数量由最后一个字节值给出，该值表示添加了多少个填充字节（取值在1到块大小之间）。

如果数据已经是块大小的整数倍，那么添加一个额外的块作为补充，其中每个字节的值都是块的大小（对于AES，填充值为16，即0x10）。

解密后如何判断最后一个字节不是明文，而是填充值？

如果解密后最后一个字节是明文的话，那么可以确定明文的长度刚好为数据块大小的整数倍；然而当明文长度为数据块大小的整数倍时，PKCS#7要求要填充一个额外的块（块中所有字节值为0x10），这显然是相互矛盾的。

如果明文的最后一个字节值为0x10且其长度刚好为数据块的整数倍，那么依据PKCS#7还要填充一个值为0x10的额外的块作为补充，此时解密后的数据末尾至少具有17字节的值为0x10。

综上所述，可以根据解密后数据的最后一个字节值来判断填充了多少个字节，最后一个字节值不会为0（会用0x10代替）。

填充原理

  1. 确定填充字节的数量：首先，计算原始数据长度与加密算法块大小（对于AES，块大小通常为128位，即16字节）之间的差值。这个差值就是需要填充的字节数量。
  2. 填充数据：在原始数据的末尾添加填充字节。每个填充字节的值都等于需要填充的字节数量。如果数据已经是块大小的整数倍，那么还需要添加一个完整的块，该块的所有字节都设置为块大小的值（对于16字节的块，这些字节的值就是16，即十六进制的10）。

数学表示如下：

  • 假设原始数据长度为 x 字节。
  • 块大小为 b 字节（对于AES，b = 16）。
  • 需要填充的字节数 n = b - (x % b)。
  • 填充后的数据将是原始数据后跟 n 个值为 n 的字节。

示例1

假设我们有一个10字节长的数据块，并且我们使用的是16字节的块大小（如AES）。那么，我们需要填充6个字节（因为16 - 10 = 6）。这6个字节的值都是6（因为我们需要填充6个字节）。所以，填充后的数据块将是原始数据后跟6个值为6的字节。

示例2

如果原始数据是 FF FF FF FF（4字节），并且我们使用的是16字节的块大小，那么需要填充12个字节（因为16 - 4 = 12）。这12个字节的值都是12（因为我们需要填充12个字节）。所以，填充后的数据将是 FF FF FF FF 0C 0C 0C 0C 0C 0C 0C 0C 0C 0C。

注意事项

  1. 填充是为了确保数据长度是加密算法块大小的整数倍。
  2. 每个填充字节的值都等于需要填充的字节数量。
  3. 如果数据已经是块大小的整数倍，则添加一个完整的块，该块的所有字节都设置为块大小的值。
  4. PKCS#5是PKCS#7的一个子集，当块大小为8字节时，两者是等效的。对于大于8字节的块大小，PKCS#7允许使用更大的块大小。

实现

下面的示例中实现了PKCS#7填充算法：

// base为基于填充的块大小
int pkcs7_padding(unsigned char* plaintext, int plaintext_len, unsigned char** output, int* output_len, int base)
{
    int iRet = -1;
    if (plaintext == NULL || plaintext_len < 0)
        return iRet;

    // 如果数据长度为块大小的整数倍，则额外填充一个块
    unsigned char padding_val = base - (plaintext_len % base);
    int padding_len = plaintext_len + (base - (plaintext_len % base));
    unsigned char* padding = (unsigned char*)malloc(padding_len);
    if (padding == NULL)
        return iRet;

    memset(padding, 0x00, padding_len);
    memcpy(padding, plaintext, plaintext_len);
    memset(padding + plaintext_len, padding_val, padding_len - plaintext_len);

    *output = padding;
    *output_len = padding_len;

    iRet = 0;
    return iRet;
}

其中base参数用于指定数据块的大小。

在使用完毕之后需要手动调用free释放output。

测试代码以及结果如下：


int main()
{
    char str1[] = "0123456789abcdef";
    unsigned char* output = NULL;
    int output_len = 0;
    int base = 16;

    printf("plaintext: ");
    for (int i = 0; i < strlen(str1); i++)
    {
        printf("%2X ", str1[i]);
    }
    printf("\n");
    if (pkcs7_padding((unsigned char*)str1, strlen(str1), &output, &output_len, base) == 0 && output != NULL &&
        output_len > 0)
    {
        printf("padding_val:");
        for (int i = 0; i < output_len; i++)
        {
            printf("%2X ", output[i]);
        }
        printf("\n");
        free(output);
    }

    char str2[] = "0123456789";

    printf("plaintext: ");
    for (int i = 0; i < strlen(str2); i++)
    {
        printf("%2X ", str2[i]);
    }
    printf("\n");
    if (pkcs7_padding((unsigned char*)str2, strlen(str2), &output, &output_len, base) == 0 && output != NULL &&
        output_len > 0)
    {
        printf("padding_val:");
        for (int i = 0; i < output_len; i++)
        {
            printf("%2X ", output[i]);
        }
        printf("\n");
        free(output);
    }
}
// plaintext: 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 61 62 63 64 65 66
// padding_val:30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 61 62 63 64 65 66 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
// plaintext: 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
// padding_val:30 31 32 33 34 35 36 37 38 39  6  6  6  6  6  6

可以看见执行结果与PKCS#7加密原理一致。