AES Verschlüsselung mit Public/Private key und shared Secret

Hallo zusammen,
Ist mein erster Post, bitte berichtigen, wenn ich irgendwas anders machen soll.
Wir wollen als Schulprojekt ein kryptografisches Netzwerk aufbauen. Die AES Verschlüsselung inkl. Padding und der Schlüsselaustausch funktionieren separat nach einer steilen Lernkurve gut. Nur die Kombinierung ist bisher ziemlich gescheitert.
Wenn ich es richtig verstehe, ist die Länge, die man bei AES angibt, immer 16, da immer 16 Byte-Blöcke (gepaddet) verschlüsselt werden. Also:

  aes128.setKey(sharedSecret, 16);

Sowohl in Wokwi als auch mit dem echten Arduino erhalte ich dabei aber inkonsistente Verschlüsselungsergebnisse, sprich, wenn ich zweimal den gleichen Text mit dem gleichen Schlüssel (shared Secret, das ändert sich ja nur beim Neustart) verschlüssel, erhalte ich unterschiedliche Ergebnisse. Dadurch kommt dann natürlich auch beim Entschlüsseln nur Mist raus.
Aber jetzt kommt das wirklich verwirrende: Wenn ich im Ver- und Entschlüsseln void() die Zeile ändere auf

  aes128.setKey(sharedSecret, 32);

wird in Wokwi konsistent verschlüsselt und auch das Entschlüsseln funktioniert prächtig, hier ein Auszug aus dem seriellen Monitor in Wokwi:

Wähle den Modus aus:
1: Text verschlüsseln
2: Text entschlüsseln
t: Ausführliche Statistiken und serielle Ausgaben (aktuell aktiviert)

1: Verschlüsseln
Gib den zu verschlüsselnden Text ein (maximal 254 Zeichen) und drücke ENTER …
Textlänge: 4
Eingabe: test
Schlüssel (shared secret): 790C34ADA6D4DBE907BE82AD7F8D15C1E6B60873ED142CD598372D80FC3C7203
Plaintext (HEX): 746573740C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C
Verschlüsselt (HEX): 1C82A5F4E53C35CA3BEAC39E657F4308
Verschlüsselt (Text): ‚¥ôå<5Ê;êÞeC
Laufzeit: 228 ms
Laufzeit pro Zeichen: 64 ms

Wähle den Modus aus:
1: Text verschlüsseln
2: Text entschlüsseln
t: Ausführliche Statistiken und serielle Ausgaben (aktuell aktiviert)

1: Verschlüsseln
Gib den zu verschlüsselnden Text ein (maximal 254 Zeichen) und drücke ENTER …
Textlänge: 4
Eingabe: test
Schlüssel (shared secret): 790C34ADA6D4DBE907BE82AD7F8D15C1E6B60873ED142CD598372D80FC3C7203
Plaintext (HEX): 746573740C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C
Verschlüsselt (HEX): 1C82A5F4E53C35CA3BEAC39E657F4308
Verschlüsselt (Text): ‚¥ôå<5Ê;êÞeC
Laufzeit: 227 ms
Laufzeit pro Zeichen: 64 ms

Wenn ich den Code mit 32 so eins zu eins auf den Arduino hochlade, wird aber nicht verschlüsselt — für mich ein reines Rätsel, ich habe bisher immer nur erlebt, das Wokwi Dinge falsch simuliert, die auf dem Arduino zuverlässig funktionieren.
Da wir langfristig AES256 verwenden wollen, habe ich auch das probiert, hatte damit aber auch keinen Erfolg, obwohl ich alle erdenklichen Optionen ausprobiert hatte. Das habe ich aber nur "in echt" und nicht in Wokwi getestet.
Jetzt die große Frage, hat irgendjemand von euch eine Idee, woran das liegt?
Hier noch der Link zu Wokwi — aktuell die funktionierende 32 Schlüssellänge: https://wokwi.com/projects/431229363722512385
Danke im Voraus!
Hier noch der Code, da ich keine Dateien hochladen darf:

/*
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 *
 * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a
 * copy of this software and associated documentation files (the "Software"),
 * to deal in the Software without restriction, including without limitation
 * the rights to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense,
 * and/or sell copies of the Software, and to permit persons to whom the
 * Software is furnished to do so, subject to the following conditions:
 *
 * The above copyright notice and this permission notice shall be included
 * in all copies or substantial portions of the Software.
 *
 * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS
 * OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
 * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE
 * AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER
 * LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING
 * FROM, OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER
 * DEALINGS IN THE SOFTWARE.
 */
/*
This example explains basic AES128 implementation.
In Arduino serial monitor text appears to be non readable characters, but if you use any other serial terminals you can see the hex values
Example contributor: Aswin
*/

#include <Crypto.h>
#include <AES.h>
#include <string.h>
#include <EEPROM.h>
#include <Ed25519.h>
#include <Curve25519.h>
#include <RNG.h>

const int addr = 0;  //EEPROM Adresse
boolean stats = false;
unsigned long int time;

//byte AESkey[16] = { 0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F };
AES128 aes128;

uint8_t privateKey[32];
uint8_t publicKey[32];
uint8_t sharedSecret[32];
uint8_t signature[64];

void generateKeyPair(uint8_t* privateKey, uint8_t* publicKey) {
  RNG.begin(analogRead(A0));
  Curve25519::dh1(privateKey, publicKey);
}
void computeSharedSecret(const uint8_t* privateKey, const uint8_t* otherPublicKey, uint8_t* sharedSecret) {
  memcpy(sharedSecret, privateKey, 32);
  Curve25519::dh2(sharedSecret, (uint8_t*)otherPublicKey);
}
void pkcs7pad(byte* buffer, size_t dataLen, size_t blockSize) {
  byte padValue = blockSize - (dataLen % blockSize);
  for (size_t i = dataLen; i < dataLen + padValue; ++i) {
    buffer[i] = padValue;
  }
}
size_t pkcs7unpad(byte* buffer, size_t bufferLen) {
  byte padValue = buffer[bufferLen - 1];
  if (padValue > 0 && padValue <= 16) {
    for (size_t i = bufferLen - padValue; i < bufferLen; ++i) {
      if (buffer[i] != padValue) return bufferLen;
    }
    return bufferLen - padValue;
  }
  return bufferLen;
}
uint8_t hexCharToNibble(char c) {
  if (c >= '0' && c <= '9') return c - '0';
  if (c >= 'A' && c <= 'F') return c - 'A' + 10;
  if (c >= 'a' && c <= 'f') return c - 'a' + 10;
  return 0;
}
void printHex(const byte* data, size_t len) {
  for (size_t i = 0; i < len; i++) {
    if (data[i] < 16) Serial.print("0");
    Serial.print(data[i], HEX);
    //Serial.print(" ");
  }
  Serial.println();
}
bool readHexKeyFromSerial(uint8_t* key, size_t len) {
  char buffer[65] = { 0 };
  size_t count = 0;
  while (count < 64) {
    if (Serial.available()) {
      char c = Serial.read();
      if ((c >= '0' && c <= '9') || (c >= 'A' && c <= 'F') || (c >= 'a' && c <= 'f')) {
        buffer[count++] = c;
        Serial.print(c);  // Echo für Feedback
      }
    }
  }
  Serial.println();
  // Umwandlung in Bytes
  for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
    key[i] = (hexCharToNibble(buffer[2 * i]) << 4) | hexCharToNibble(buffer[2 * i + 1]);
  }
  return true;
}
String readSerialLine() {
  String input = "";
  while (true) {
    if (Serial.available()) {
      char c = Serial.read();
      if (c == '\n' || c == '\r') {  // Zeilenende
        if (input.length() > 0) break;
      } else {
        input += c;
      }
    }
  }
  return input;
}
void serialPrintModusWahl() {
  Serial.println("\nWähle den Modus aus:");  //---\n---\n---\n---\n---\n---\n---\n---\n---\n---
  Serial.println("1: Text verschlüsseln");
  Serial.println("2: Text entschlüsseln");
  //Serial.println("3: Debug-Modus");
  Serial.print("t: Ausführliche Statistiken und serielle Ausgaben");
  if (stats) Serial.println(" (aktuell aktiviert)");
  else Serial.println(" (aktuell deaktiviert)");
}
bool serialYes(char eingabe) {
  if (eingabe == 'Y' || eingabe == 'y' || eingabe == 'J' || eingabe == 'j' || eingabe == '1' || eingabe == '\n') return true;
  return false;
}
bool serialNo(char eingabe) {
  if (eingabe == 'N' || eingabe == 'n' || eingabe == '0') return true;
  return false;
}
void schluesselaustausch() {
  //todo
}
void generateAESkey() {
  //todo
}
void exchangeAESkey() {
  //todo
}
/*void signMessage(char* message, uint8_t* signature) {
  Ed25519::sign(signature, privateKey, publicKey_my, (uint8_t)message, strlen(message));
}
bool verifyMessage(char message, uint8_t* signature, uint8_t* senderPublicKey) {
  return Ed25519::verify(signature, senderPublicKey, (uint8_t*)message, strlen(message));
}*/
// Wandelt ein einzelnes Hex-Zeichen ('0'-'9', 'A'-'F', 'a'-'f') in den Zahlenwert um
byte hexCharToByte(char c) {
  if (c >= '0' && c <= '9') return c - '0';
  if (c >= 'A' && c <= 'F') return c - 'A' + 10;
  if (c >= 'a' && c <= 'f') return c - 'a' + 10;
  return 0;
}
// Wandelt einen Hex-String (z.B. "AF32...") in ein Byte-Array um
void hexStringToBytes(const String& hex, byte* out, size_t outLen) {
  for (size_t i = 0; i < outLen; i++) {
    out[i] = (hexCharToByte(hex[2 * i]) << 4) | hexCharToByte(hex[2 * i + 1]);
  }
}
/*void PrintSignature() {
  for (int i = 0; i < 64; i++) {
    if (signature[i] < 0x10) Serial.print('0');
    Serial.print(signature[i], HEX);
  }
}*/
void encrypt() {
  Serial.println("Gib den zu verschlüsselnden Text ein (maximal 254 Zeichen) und drücke ENTER …");
  String text = readSerialLine();
  if (stats) {
    time = millis();
  }
  if (stats) {
    Serial.print("Textlänge:\t");
    Serial.println(text.length());
  }
  if (text.length() > 254) {
    Serial.println("Text zu lang, maximal 254 Zeichen erlaubt.");
    return;
  }
  if (stats) {
    Serial.print("Eingabe:\t");
    Serial.println(text);
    Serial.print("Schlüssel (shared secret):\t");
    printHex(sharedSecret, 32);
  }

  size_t textLen = text.length();
  size_t blockSize = 16;
  size_t numBlocks = (textLen / blockSize) + ((textLen % blockSize) ? 1 : 0);
  size_t paddedLen = numBlocks * blockSize;

  // Klartext vorbereiten
  byte* plaintext = new byte[paddedLen];
  memset(plaintext, 0, paddedLen);
  text.getBytes(plaintext, paddedLen);
  pkcs7pad(plaintext, textLen, blockSize);

  if (stats) {
    Serial.print("Plaintext (HEX): ");
    printHex(plaintext, paddedLen);
  }

  aes128.setKey(sharedSecret, 32);

  // Verschlüsseln
  byte* cypher = new byte[paddedLen];
  for (size_t i = 0; i < paddedLen; i += blockSize) {
    aes128.encryptBlock(cypher + i, plaintext + i);
  }
  Serial.print("Verschlüsselt (HEX):\t");
  printHex(cypher, paddedLen);
  if (stats) {
    Serial.print("Verschlüsselt (Text):\t");
    for (int j = 0; j < paddedLen; j++) {
      Serial.write(cypher[j]);
    }
  }
  //Signatur hier implementieren
  /*signMessage(cypher, signature);
  PrintSignature();*/
  // Speicher aufräumen
  delete[] plaintext;
  delete[] cypher;
  Serial.println();
  if (stats) runtime(text.length());
  Serial.println();
}
void decrypt() {
  Serial.println("Gib den zu entschlüsselnden Text ein (maximal 254 Zeichen) und drücke ENTER …");
  String text = readSerialLine();
  text.trim();

  /*Serial.print("Textlänge:\t");
  Serial.println(text.length());
  if (text.length() > 254) {
    Serial.println("Text zu lang, maximal 254 Zeichen erlaubt.");
    return;
  }*/
  if (text.length() % 32 != 0 && text.length() % 16 != 0) {
    Serial.println("Warnung: Die Hex-Zeichenanzahl sollte ein Vielfaches von 32 (für 16 Byte Blöcke) sein!");
  }

  if (stats) {
    Serial.print("Eingabe:\t");
    Serial.println(text);
  }

  size_t byteLen = text.length() / 2;  //2 Hex-Zeichen pro Byte
  size_t blockSize = 16;
  size_t numBlocks = (byteLen / blockSize) + ((byteLen % blockSize) ? 1 : 0);
  size_t paddedLen = numBlocks * blockSize;

  // Byte-Array für den Ciphertext
  byte* cypher = new byte[paddedLen];
  memset(cypher, 0, paddedLen);

  // Hex-String in Byte-Array umwandeln
  hexStringToBytes(text, cypher, byteLen);

  if (stats) {
    Serial.print("encrypted (HEX): ");
    printHex(cypher, paddedLen);
  }

  aes128.setKey(sharedSecret, 32);


  // Entschlüsseln
  byte* decryptedtext = new byte[paddedLen];
  for (size_t i = 0; i < paddedLen; i += blockSize) {
    aes128.decryptBlock(decryptedtext + i, cypher + i);
  }
  Serial.print("Decrypted (HEX): ");
  printHex(decryptedtext, paddedLen);

  // Padding entfernen
  size_t unpaddedLen = pkcs7unpad(decryptedtext, paddedLen);
  Serial.print("Decrypted (Text): ");
  for (size_t i = 0; i < unpaddedLen; i++) {
    Serial.write(decryptedtext[i]);
  }
  Serial.println();
  if (stats) runtime(unpaddedLen);
  Serial.println();

  // Speicher aufräumen
  delete[] cypher;
  delete[] decryptedtext;
}
void runtime(unsigned int length) {
  Serial.print("Laufzeit:\t");
  Serial.print(millis() - time);
  Serial.println(" ms");
  Serial.print("Laufzeit pro Zeichen:\t");
  Serial.print((millis() - time) / length);
  Serial.println(" ms");
}
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  generateKeyPair(privateKey, publicKey);
  Serial.println("Schlüssel wurden generiert\n");
  Serial.println("Eigenes Public Key (an Partner senden):");
  printHex(publicKey, 32);
  Serial.println("Bitte 64 Hex-Zeichen (ohne Leerzeichen) für den anderen Public Key eingeben und Enter drücken:");
  bool done = false;
  while (!done) {
    if (Serial.available()) {
      uint8_t otherPublicKey[32];
      if (readHexKeyFromSerial(otherPublicKey, 32)) {
        Serial.println("Other Public Key empfangen:");
        printHex(otherPublicKey, 32);
        Serial.println("eingelesen");
        computeSharedSecret(privateKey, otherPublicKey, sharedSecret);

        Serial.println("Gemeinsames Geheimnis:");
        printHex(sharedSecret, 32);

        done = true;
        //Serial.println("Fertig! Neustart für neuen Austausch.");
      }
    }
  }
  EEPROM.get(addr, stats);
  serialPrintModusWahl();
}
void loop() {
  // Warte auf Nutzereingabe über die serielle Konsole
  if (Serial.available()) {
    Serial.println();
    char serial = Serial.read();
    if (serial == '1') {
      Serial.println("1: Verschlüsseln");
      encrypt();
    } else if (serial == '2') {
      Serial.println("2: Entschlüsseln");
      decrypt();
    } /*else if (serial == '3') {
      Serial.println("3: Debugging");
      //todo
  }*/
    else if (serial == 't') {
      if (stats) {
        stats = false;
        EEPROM.put(addr, stats);
        Serial.println("Statistiken deaktiviert");
      } else {
        stats = true;
        EEPROM.put(addr, stats);
        Serial.println("Statistiken aktiviert");
      }
    } else {
      Serial.println("Unbekannter Modus, try again");
    }
    while (Serial.available()) {
      Serial.read();
    }
    delay(10);
    serialPrintModusWahl();
    delay(10);
  }
}

Wo hat AES ein Public/Privite-Keypair?

Nirgends, das benutze ich ja auch nur, um das shared secret zu berechnen.

Man könnte natürlich auch mit dem public-private key Paar direkt die Nachricht verschlüsseln, allerdings ist es gang und gäbe, über public-private key einen symmetrischen Schlüssel auszutauschen, da die symmetrischen Verschlüsselungsverfahren deutlich weniger rechenaufwändig sind. So geht auch zum Beispiel OpenPGP vor.

Noch verwirrender ist, dass in Wokwi die eingegebene Schlüssellänge bei aes128.setKey komplett egal zu sein scheint, ich habe 16, 32 und 64 ausprobiert, das hat alles getan — auf dem Arduino geht aber gar nichts. Kann es sein, dass der Arduino nicht genug Rechenleistung hat oder irgendwelche Arrays überlaufen oder andere Daten zu groß für den Arduino sind?

Hast du lust zu kommentieren wie die zusätzlichen Libraries im Library Manager exakt heißen und mit welchen Versionen du das am Arduino kompiliert hast?

Hey,
Crypto.h habe ich hier heruntergeladen, da ich die im Arduino Bibliotheksmanager nicht finde. Version dementsprechend 0.4.0. Darin enthalten sind dann auch Ed25519.h, Curve25519.h, AES.h und RNG.h.

String.h, und EEPROM.h ist aus der Arduino_Builtin, Version 1.0.0.

Ich habe gerade herausgefunden, dass RNG.h nicht mit dem Uno kompatibel ist, da dieser keine Hardware für das Generieren echter Zufallszahlen (TRNG) hat. Daher kommen nicht zufällige Zahlen raus, was kryptografisch natürlich sehr kritisch ist, für die Funktionsfähigkeit der Verschlüsselung aber keine Bedeutung haben sollte.
Allgemein frage ich mich aber, ob AES überhaupt gut geeignet ist, oder ob es bessere Algorithmen und Bibliotheken gibt, z.B. ChaCha.
Danke für eure Beiträge, vielleicht finden wir ja noch den Fehler.

Hängt von deinem Usecase ab. Du kannst auch einen zufälligen Schüssel erzeugen und XOR verschlüsseln - solange der Schlüssel unbekannt ist und ausreichend lang ist (kannst mit Primzahlen spielen für theoretisch ungebgrenze Schüssellänge) und und deine Daten aureichende Entropie aufweisen (z.b. lz4 komprimiert) funktioniert das ganz gut (== unknackbar). Kommt halt drauf an, was du machen willst.

Moin,
ich habe damals (vor ~12 Jahren) mal mit AES experimentiert. Vielleicht hilft euch das Beispiel um euren Fehler zu finden.
Beispiel: AES256 Bit Verschlüsselte Übertragung mit CRC8, Seriell, Ethernet, ... - International / Deutsch - Arduino Forum

Ich habe damals eine Verbindung zu einem Webserver [Script (PHP)] aufgebaut. Der Quellcode vom Arduino und das PHP Script lassen sich im verlinkten Beitrag herunterladen.