數據填充規則之PKCS7

安全芯片本身支持各種標準的加密算法，用戶可以使用相應的算法完成數據的加解密、簽名驗簽等功能來完善自己產品的安全性。在數據加解密應用中，數據填充又是其中重要的組成部分。數據填充通常有兩個作用一是按要求將數據補足到要就的塊長度來滿足加密算法的應用需求；二是通過增加填充數據來進一步提高密文的安全性。本次主要介紹分組對稱算法中常用的PKCS7。

PKCS7是當下各大加密算法都遵循的填充算法，且 OpenSSL 加密算法默認填充算法就是 PKCS7。PKCS7Padding的填充方式為當數據長度不足數據塊長度時,缺幾位補幾個幾,eg.對于AES128算法其數據塊為16Byte（數據長度需要為16Byte的倍數）,如果數據為”00112233445566778899AA”一共11個Byte,缺了5位,采用PKCS7Padding方式填充之后的數據為“00112233445566778899AA0505050505”。

特別注意的一點是如果是數據剛好滿足數據塊長度也要在元數據后在按PKCS7規則填充一個數據塊數據，這樣做的目的是為了區分有效數據和補齊數據。仍以AES128為例：如果數據為”00112233445566778899AABBCCDDEEFF”一共16個符合數據塊規則采用PKCS7Padding方式填充之后的數據為

“00112233445566778899AABBCCDDEEFF10101010101010101010101010101010”

PKCS7是當下各大加密算法都遵循的數據填充算法，且 OpenSSL 加密算法簇的默認填充算法就是 PKCS7。
AES-128, AES-192, AES-256 的數據塊長度分別為 128/8=16bytes, 192/8=24bytes, 256/8=32bytes。

其實PKCS7理解起來非常簡單，使用需填充長度的數值 paddingSize 所表示的ASCII碼 paddingChar = chr(paddingSize)對數據進行冗余填充。

比如 AES-128的數據塊長度是 16bytes，使用PKCS7進行填充時，填充的長度范圍是 1 ~ 16。注意，當待加密數據長度為 16 的整數倍時，填充的長度反而是最大的，要填充 16 字節，為什么呢？因為 "PKCS7" 拆包時會按協議取最后一個字節所表征的數值長度作為數據填充長度，如果因真實數據長度恰好為 16 的整數倍而不進行填充，則拆包時會導致真實數據丟失。

為什么是冗余填充呢？因為即便你的數據長度符合blockSize的整數倍時，也需要填充，填充的長度反而是最大的，要填充blockSize個char(blockSize)字符在數據尾部，這樣犧牲了數據長度的做法是為了更為靈活透明的去解包數據，發送端和接收端不需要約定好blockSize，接收端總能通過數據包的最后一個字符得到填充的數據長度。

當我們拿到一串PKCS7填充的數據時，取其最后一個字符paddingChar，此字符的ASCII碼的十進制ord(paddingChar)即為填充的數據長度paddingSize，讀取真實數據時去掉填充長度即可substr(content, 0, -paddingSize)。

填充示例，比如數據塊blockSize為 8

h<0x07><0x07><0x07><0x07><0x07><0x07><0x07> 7
he<0x06><0x06><0x06><0x06><0x06><0x06> 6
hel<0x05><0x05><0x05><0x05><0x05> 5
hell<0x04><0x04><0x04><0x04> 4
hello<0x03><0x03><0x03> 3
hello <0x02><0x02> 2
hello w<0x01> 1
hello wo<0x08><0x08><0x08><0x08><0x08><0x08><0x08><0x08> 8 // 數據塊
hello wor<0x07><0x07><0x07><0x07><0x07><0x07><0x07> 7
hello word<0x06><0x06><0x06><0x06><0x06><0x06> 6

實現：

/**
 * PKCS7填充
 * @param string $content    待填充內容
 * @param int    $block_size 待填充內容數據塊長度
 */
function pkcs7_padding($content, $block_size)
{
    if (255 < $block_size || 0 >= $block_size) {
        throw new \Exception("the block size pkcs7 can padding is (0 ~ 255] ");
    }

    // 待填充的長度
    $padding_size = $block_size - (strlen($content) % $block_size);
    // 待填充的字符
    $padding_char = chr($padding_size);
    $content .= str_repeat($padding_char, $padding_size);

    return $content;
}

/**
 * 移除PKCS7
 * @param string $content
 * @return string
 */
function pkcs7_strip($content)
{
    $padding_char = substr($content, -1);
    $padding_size = ord($padding_char);
    $content      = substr($content, 0, -$padding_size);

    return $content;
}

$content = pkcs7_padding("hello", $block_size);
echo pkcs7_strip($content);

pkcs5作為pkcs7的子集算法，概念上沒有什么區別，只是在blockSize上固定為 8 bytes，即數據始終會被切割成 8 個字節的數據塊，然后計算需要填充的長度。pkcs7的填充長度blockSize是 1~255 bytes。