单片机固件MD5校验、AES加密、gzip压缩方案(QT)

方案简介

先使用glib对固件进行压缩；然后使用MD5对固件进行添加头部校验值；最后使用AES对固件进行加密。

MD5

MD5，全称Message Digest Algorithm 5，即信息摘要算法5，是一种被广泛使用的密码散列函数。它可以产生出一个128位（16字节）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致。MD5由美国密码学家罗纳德·李维斯特（Ronald Linn Rivest）设计，于1992年公开，用以取代MD4算法。这套算法的程序在RFC 1321标准中被加以规范。

MD5的功能（作为校验值）可以看这一篇：MD5数据加密方法

AES加密

AES加密，全称Advanced Encryption Standard，是一种对称的分组加密技术。它使用128位分组加密数据，每次加密16个字节，提供比WEP/TKIPS的RC4算法更高的加密强度。AES的加密码表和解密码表是分开的，并且支持子密钥加密，这种做法优于以前用一个特殊的密钥解密的做法。此外，AES算法支持任意分组大小，初始时间快，特别是它具有的并行性可以有效地利用处理器资源。

AES算法具有以下优点：

应用范围广：可以用来加密数据、电子邮件和网络传输，以保护隐私和网络数据的安全性。
等待时间短：相对于其他加密算法，AES加密速度较快。
相对容易隐藏：AES加密算法相对容易隐藏，不容易被破解。
吞吐量高：能够提供高吞吐量，适用于大规模的数据加密。

此外，AES加密的安全性非常高，它使用128位、192位或256位的密钥，可以抵抗各种类型的攻击，包括密码穷举攻击、密码分析攻击和密码拓展攻击。因此，AES加密算法被认为是目前世界上最安全、最先进的加密算法之一。

AES的具体功能及其实现原理可以参考这一篇：AES加密算法原理的详细介绍与实现

gzip

gzip是一个使用广泛的压缩程序，最早由Jean-loup Gailly和Mark Adler创建，用于UNⅨ系统的文件压缩。它可以用来压缩文件，压缩后的文件名通常会添加“.gz”的扩展名。gzip不仅可以用来压缩大的、较少使用的文件以节省磁盘空间，还可以和tar命令一起构成linux操作系统中比较流行的压缩文件格式。

zlib是一套通用的解压缩开源库，提供了内存（in-memory）压缩和解压函数，能检测解压出来的数据完整性，支持读写gzip（.gz）格式的文件。该库使用DEFLATE算法压缩数据部分，这是一种Huffman编码的加强。

本次研究的是在QT上面使用glib库。

glib库的简介和主要函数的功能可以看这一篇：第三方库介绍——zlib库

在QT中使用MD5、AES、glib

QT环境

必须使用MinGW来构建项目

MD5

使用QT内嵌的QCryptographicHash库，这个库提供了以下加密类型，这里只使用了MD5。

类型	值	描述
QCryptographicHash::Md4	0	Generate an MD4 hash sum
QCryptographicHash::Md5	1	Generate an MD5 hash sum
QCryptographicHash::Sha1	2	Generate an SHA-1 hash sum
QCryptographicHash::Sha224	3	Generate an SHA-224 hash sum (SHA-2). Introduced in Qt 5.0
QCryptographicHash::Sha256	4	Generate an SHA-256 hash sum (SHA-2). Introduced in Qt 5.0
QCryptographicHash::Sha384	5	Generate an SHA-384 hash sum (SHA-2). Introduced in Qt 5.0
QCryptographicHash::Sha512	6	Generate an SHA-512 hash sum (SHA-2). Introduced in Qt 5.0
QCryptographicHash::Sha3_224	RealSha3_224	Generate an SHA3-224 hash sum. Introduced in Qt 5.1
QCryptographicHash::Sha3_256	RealSha3_256	Generate an SHA3-256 hash sum. Introduced in Qt 5.1
QCryptographicHash::Sha3_384	RealSha3_384	Generate an SHA3-384 hash sum. Introduced in Qt 5.1
QCryptographicHash::Sha3_512	RealSha3_512	Generate an SHA3-512 hash sum. Introduced in Qt 5.1
QCryptographicHash::Keccak_224	7	Generate a Keccak-224 hash sum. Introduced in Qt 5.9.2
QCryptographicHash::Keccak_256	8	Generate a Keccak-256 hash sum. Introduced in Qt 5.9.2
QCryptographicHash::Keccak_384	9	Generate a Keccak-384 hash sum. Introduced in Qt 5.9.2
QCryptographicHash::Keccak_512	10	Generate a Keccak-512 hash sum. Introduced in Qt 5.9.2
QCryptographicHash::Blake2b_160	15	Generate a BLAKE2b-160 hash sum. Introduced in Qt 6.0
QCryptographicHash::Blake2b_256	16	Generate a BLAKE2b-256 hash sum. Introduced in Qt 6.0
QCryptographicHash::Blake2b_384	17	Generate a BLAKE2b-384 hash sum. Introduced in Qt 6.0
QCryptographicHash::Blake2b_512	18	Generate a BLAKE2b-512 hash sum. Introduced in Qt 6.0
QCryptographicHash::Blake2s_128	19	Generate a BLAKE2s-128 hash sum. Introduced in Qt 6.0
QCryptographicHash::Blake2s_160	20	Generate a BLAKE2s-160 hash sum. Introduced in Qt 6.0
QCryptographicHash::Blake2s_224	21	Generate a BLAKE2s-224 hash sum. Introduced in Qt 6.0
QCryptographicHash::Blake2s_256	22	Generate a BLAKE2s-256 hash sum. Introduced in Qt 6.0

MD5的使用没有什么难点，这是QT做完的内容，直接使用就行。

///这个库需要在目标文件中包含
#include <QCryptographicHash>
--------------------------------------
QByteArray array; ///< 假定的源数据
--------------------------------------

QT中使用MD5加密：

QCryptographicHash hash(QCryptographicHash::Md5); ///< Md5加密
hash.addData(array.toHex()); ///< 添加数据
QByteArray retArray = hash.result(); ///< 加密后的数据

QT中使用MD5校验：

QCryptographicHash hash(QCryptographicHash::Md5); ///< Md5加密
hash.addData(array.toHex()); ///< 添加数据
QByteArray retArray = hash.result(); ///< 加密后的数据
	
其实就是将文件再次加密，最后将文件加密得到的MD5校验值与第一次加密的MD5值进行比较，如果相同则表示文件未被修改，主要用于验证文件的完整性。

AES

QT部署AES

QT中没有可以直接使用的AES加密库，需要外部开源的AES加密库，这里使用https://github.com/bricke/Qt-AES开源库，这个库需要复制两个文件到工程中，这个库具体的功能和使用开源查看Qt-AES加密库文章。

AES使用

///这个库需要在目标文件中包含
#include "qaesencryption.h"

使用AES对数据进行加密：

static QByteArray encodedText(QByteArray data)
{
    if(data.isEmpty())
    {
        return 0;
    }
    /// keyLen_main、mode_main、padding_main、iv:全局变量
    QAESEncryption encryption((QAESEncryption::Aes)keyLen_main,
                              (QAESEncryption::Mode)mode_main,
                              (QAESEncryption::Padding)padding_main);
    //QString str = QString::fromUtf8(data);
    //对源数据加密
    QByteArray encoded = encryption.encode(data, keys_main, iv);

    return encoded;
}

使用AES对数据进行解密

static QByteArray decodedText(QByteArray data)
{
    if(data.isEmpty())
    {
        return 0;
    }
    /// keyLen_main、mode_main、padding_main、iv:全局变量
    QAESEncryption encryption((QAESEncryption::Aes)keyLen_main,
                              (QAESEncryption::Mode)mode_main,
                              (QAESEncryption::Padding)padding_main);

    //解密
    QByteArray decodedText = encryption.decode(data, keys_main, iv);

    return decodedText;
}

glib

glib是放置在了QT库中，

只需要在工程.pro文件中加入
 LIBS += -lz 
 ------------------------------------
并且在目标文件中加入头文件
 #include <zlib.h>

在使用glib库时必须使用MinGW来构建工程，MSVC2019构建带有glib库的工程会报错。使用glib时需要对其进行封装以确保直接使用 QByteArray 类型进行压缩（glib中的compress函数传入的参数是Bytef），具体的封装开源参考zlib库实现数据流的压缩与解压缩。

/**
 * @brief 压缩数据
 * @param postBody  数据（QByteArray类型）
 * @return 压缩完成的数据
 */
static QByteArray GzipCompress(QByteArray postBody)
{
    QByteArray outBuf;
    int *errorCode = NULL;
    /// ZlibCompress用于预测压缩后的数据大小
    long outlength = ZlibCompress(outBuf,postBody,errorCode);

    if(outlength != (-1))
    {
        return outBuf;
    }
    outBuf = postBody;
    return outBuf;
}

/**
 * @brief 解压缩
 * @param src 目标数据（QByteArray）
 * @return 解压缩的数据
 */
static QByteArray GZipUnCompress(QByteArray src)
{
	QByteArray outBuffer;
    int *errorCode = NULL;
    long outlength = ZlibUncompress(outBuffer,src,errorCode);

    if(outlength != (-1))
    {
        return outBuffer;
    }
    outBuffer = src;
    return outBuffer;
}

ui设计

主界面

单片机固件MD5校验、AES加密、gzip压缩方案(QT)_MCU

AES配置界面

主界面中点击工具栏设置AES 即可跳转至AES配置界面。

单片机固件MD5校验、AES加密、gzip压缩方案(QT)_数据_02

验证（结果）

打开固件加密软件，点击主界面的浏览按钮打开选择固件窗口，在选择固件窗口中选中要加密的bin文件（实际可以加密任何文件，只需要将对应文件重命名为.bin后缀即可）。

单片机固件MD5校验、AES加密、gzip压缩方案(QT)_Qt_03

选中下面的三个选项框（使用gzip、使用MD5、使用AES），并且点击工具栏的设置AES 打开AES配置界面，在AES 密钥在线生成器中生成一个256bit的密钥（BuB6PiubJnKu4hDTnr4k0tIiI4v2HrgE），其余保持默认点击 AES配置界面的 ok 按钮。

单片机固件MD5校验、AES加密、gzip压缩方案(QT)_Qt_04

点击开始加密等待主界面下方显示输出结果即可，显示加密完成并且显示了输出文件位置和文件名称表示加密完成，并且在输出文件位置中可以找到一个 result.ldx 的文件，该文件比源文件缩小了1倍左右，并且已经被加密，使用Beyond Compare 4软件可以发现 rtthread.bin 与 result.ldx 文件内容不一致，表示压缩及加密完成。

单片机固件MD5校验、AES加密、gzip压缩方案(QT)_MCU_05

单片机固件MD5校验、AES加密、gzip压缩方案(QT)_Qt_06

接着验证解密功能，保持设置即不修改AES配置，只修改文件即可，点击浏览，选中刚刚生成的result.ldx文件点击解密，等待状态框输出解密完成和输出文件位置，在输出文件目录下可以找到一个restore.bin文件，将rtthread.bin与restore.bin文件使用Beyond Compare 4软件打开，可以看到rtthread.bin与restore.bin文件一致即表示加密解密功能完成无误。

单片机固件MD5校验、AES加密、gzip压缩方案(QT)_Qt_07

单片机固件MD5校验、AES加密、gzip压缩方案(QT)_MCU_08

至此结束。

备注

文章为原创，个人博客。

源码

https://gitee.com/ldxlxx/QT_bootloader/tree/master/

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