手把手教你如何实现一个简单的数据加密算法
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了手把手教你如何实现一个简单的数据加密算法相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
0. 前言
之前写过一篇关于MD5摘要算法的文章，很多老铁说能否出一篇关于加密的文章吗？
一口君的字典里没有"不行"这两个字！必须安排！
关于加密的一些基本概念，大家可以参考下面这一篇文章：
《公钥密码学简介》
本文，一口君带着大家自己实现一个简单但也很实用的加密方法，
让大家了解实际项目开发中数据加密的流程。
一、一种常见的网络通信的加密流程
关于加密的算法很多，实际实现过程千差万别，
下图是一个常见的网络通信加密的应用场景。
密码机的一些说明：
- 客户端服务器端都可以设置密码机（可以是软件、也可以是一个硬件，只要能够产生密钥即可）
- keygen和同步码都会影响到密码机生成的密钥序列
- 密码机在keygen和同步码相同的情况下，会产生相同的密钥序列，加解密双方需要记住产生密钥的顺序，解密多少数据就申请多少密钥
如上图所示，基于C/S架构的服务器和客户端通信模型，
下面以客户端如果要发送一段加密的密文给服务器，C/S需要交互的流程。
1 服务器端发送密钥密文
- 首先服务器端、客户端都保存了一个默认的密钥
- 服务器端随机生成密钥keygen，并使用该默认密钥对keygen加密，生成密钥密文
- 客户端可以通过命令定期请求该密钥密文或者服务器定时下发
- 客户端收到密钥密文后，也可以通过默认密钥进行解密得到明文的keygen
2. 客户端对数据加密
- 客户端在发送数据之前，首先生成一个同步码
- 将同步码和keygen设置给密码机，然后向密码机申请一定长度的密钥
- 将明文和密钥通过一定的算法进行加密（通常是异或），生成数据密文
3. 客户端发送同步码和数据密文
- 客户端将数据密文和同步码明文一起发送给服务器
- 服务器提取出同步码
4. 服务器端接收数据并解密
- 服务器将keygen和同步码设置给密码机，同时申请一定数量的密钥
- 服务器根据密钥对密文进行解密，即得到对应的明文
因为服务器和客户端此时都使用了相同的keygen，和同步码，所以双方申请的密钥序列一定是一样的。
二、函数实现
下面是一口君实现的加密算法的一些函数原型以及功能说明，这些函数基本实现了第一节的功能。
1. 申请加密密钥函数request_key
int request_key(int sync,int key_num,char key[])
功能：
向密码机申请一定数量的用于加密数据的密钥，如果不设置新的keygen，那么生成的密码会顺序产生下去，每次申请密钥都会记录上次生成的密钥的偏移，下次在申请的时候，都会从上一位置继续分配密钥
参数：
sync：同步码，密码机依据此同步产生随机序列的密钥
key_num：申请的密钥个数
key：申请的密钥存储的缓存
返回值:
实际返回密钥个数
2. 设置密钥序列函数set_keygen
void set_keygen(int key)
功能：
向密码机设置keygen，设置后会影响产生的随机密钥序列
参数：
key：密钥
返回值:
无
3. 产生随机数born_seed
int born_seed(int sync,int key)
功能：
根据同步码和keygen生成随机密钥种子
参数：
sync：同步码
key：密钥
返回值:
种子
4. 重置keygen reset_keygen()
void reset_keygen()
功能：
重置keygen，会影响生成的随机数序列
三、测试代码实例
最终文件如下：
key.c key.h main.c
示例1 检测产生的随机序列
int main(int argc, char *argv[])
{
int i;
unsigned int len;
int j, r, key_num;
unsigned int sync = 0;
unsigned char key[MAX_KEY_REQUEST];
key_num = 10;
printf("\\n--------------采用默认keygen 同步码=0 产生密文----------------\\n");
reset_keygen();
memset(key,0,sizeof(key));
len = request_key(sync,key_num,key);
print_array("密钥0-9:",key,len);
memset(key,0,sizeof(key));
len = request_key(sync,key_num,key);
print_array("密钥10-19:",key,len);
printf("\\n--------------采用keygen=1234 同步码=0 产生密文----------------\\n");
set_keygen(1234);
memset(key,0,sizeof(key));
len = request_key(sync,key_num,key);
print_array("密钥0-9:",key,len);
memset(key,0,sizeof(key));
len = request_key(sync,key_num,key);
print_array("密钥10-19:",key,len);
}
执行结果：
--------------采用默认keygen 同步码=0 产生密文----------------
密钥0-9: ----[10]
a5 52 c8 14 5d f7 46 5b 89 42
密钥10-19: ----[10]
38 69 6f a6 08 d2 69 39 cd 29
--------------采用keygen=1234 同步码=0 产生密文----------------
密钥0-9: ----[10]
0e 83 0b 73 ec f5 4b 4a 74 35
密钥10-19: ----[10]
e7 f1 06 41 c8 6b aa df 0c 3d
可以看到采用不同的keygen产生的随机序列是不一样的。
如果设置不同的同步码，仍然序列还会不一样。
示例2 用默认keygen，加解密
char data0[10]={
0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0x10,
};
int main(int argc, char *argv[])
{
int i;
unsigned int len;
int j, r, key_num;
unsigned int sync = 0;
unsigned char key[MAX_KEY_REQUEST];
char buf[120]={0};
key_num = 10;
printf("\\n--------------采用默认keygen开始加密----------------\\n");
reset_keygen();
print_array("\\n明文:",data0,key_num);
memset(key,0,sizeof(key));
len = request_key(sync,key_num,key);
print_array("密钥:",key,len);
for(i=0;i<len;i++)
{
buf[i] = data0[i]^key[i];
}
print_array("\\n密文:",buf,len);
printf("\\n--------------------开始解密--------------------\\n");
reset_keygen();
memset(key,0,sizeof(key));
len = request_key(sync,key_num,key);
for(i=0;i<len;i++)
{
buf[i] = buf[i]^key[i];
}
print_array("\\n明文:",buf,len);
}
测试结果
--------------采用默认keygen开始加密----------------
明文: ----[10]
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
密钥: ----[10]
a5 52 c8 14 5d f7 46 5b 89 42
密文: ----[10]
a4 50 cb 10 58 f1 41 53 80 52
--------------------开始解密--------------------
明文: ----[10]
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
示例3 用不同的keygen和同步码加解密
int main(int argc, char *argv[])
{
int i;
unsigned int len;
int j, r, key_num;
unsigned int sync = 0;
unsigned char key[MAX_KEY_REQUEST];
char buf[120]={0};
unsigned int mykeygen;
if (argc != 4) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <seed> <key num> <keygen>\\n", argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
sync = atoi(argv[1]);
key_num = atoi(argv[2]);
mykeygen = atoi(argv[3]);
printf("\\n--------------采用自定义的keygen、同步码开始加密----------------\\n");
set_keygen(mykeygen);
print_array("\\n明文:",data0,key_num);
memset(key,0,sizeof(key));
len = request_key(sync,key_num,key);
print_array("密钥:",key,len);
for(i=0;i<len;i++)
{
buf[i] = data0[i]^key[i];
}
print_array("\\n密文:",buf,len);
printf("\\n--------------------开始解密--------------------\\n");
set_keygen(mykeygen);
memset(key,0,sizeof(key));
len = request_key(sync,key_num,key);
for(i=0;i<len;i++)
{
buf[i] = buf[i]^key[i];
}
print_array("\\n明文:",buf,len);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
执行结果如下：
--------------采用自定义的keygen、同步码开始加密----------------
明文: ----[10]
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
密钥: ----[10]
53 00 29 cd 27 eb cc 80 1a d7
密文: ----[10]
52 02 2a c9 22 ed cb 88 13 c7
--------------------开始解密--------------------
明文: ----[10]
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
可见我们的确实现了数据的加密和解密。
四、数据加密的实际使用
假定我们使用上述实例代码，把对应的功能移植到C/S两端，
那么一次完整的数据加密以及数据的传输参考流程如下：
记住一点，只要双方设置相同的keygen和同步码，那么密码机吐出来的密钥就是相同序列，
客户端发送每发送一个报文，就把自己的明文同步码一起发送给服务器，
服务器根据提前发送给客户端的keygen和同步码就可以实现解密操作，
虽然你可以看到明文的同步码，
但是还需要破解密码机算法、服务器下发的keygen密文。
五、 原理
实现加密算法的主要问题是如何产生随机序列作为密钥。
本例是借用库函数rand()
原型如下：
#include <stdlib.h>
int rand(void);
函数rand() 虽然可以产生随机序列，但是每次产生的序列其实顺序是一样的。
#include <stdio.h>
main()
{
int i = 0;
for(i=0;i<10;i++)
{
printf("%d ",rand());
}
putchar('\\n');
}
运行结果如下：
peng@peng-virtual-machine:/mnt/hgfs/peng/rand/code$ ./a.out
1804289383 846930886 1681692777 1714636915 1957747793 424238335 719885386 1649760492 596516649 1189641421
peng@peng-virtual-machine:/mnt/hgfs/peng/rand/code$ ./a.out
1804289383 846930886 1681692777 1714636915 1957747793 424238335 719885386 1649760492 596516649 1189641421
要想每次都产生不一样的随机序列应该怎么办呢？
需要借助srand()函数
void srand(unsigned int seed);
只需要通过该函数设置一个种子，那么产生的序列，就会完全不一样，
通常我们用time()返回值作为种子，
在此我们随便写入几个数据，来测试下该函数
#include <stdio.h>
main()
{
int i = 0;
srand(111);
for(i=0;i<10;i++)
{
printf("%d ",rand());
}
putchar('\\n');
srand(1111);
for(i=0;i<10;i++)
{
printf("%d ",rand());
}
putchar('\\n');
}
执行结果如下：
peng@peng-virtual-machine:/mnt/hgfs/peng/rand/code$ ./a.out
1629905861 708017477 1225010071 14444113 324837614 2112273117 1166384513 1539134273 1883039818 779189906
1383711924 882432674 1555165704 1334863495 1474679554 676796645 154721979 534868285 1892754119 100411878
可见输入不同的种子就会产生不同的序列。
函数原型如下：
本例原理比较简单，没有考虑太复杂的应用（比如多路密钥的管理）和数据安全性，
只阐述加解密的流程，仅作为学习理解加解密流程用，此种加密算法属于对称加密，相对比较简单，还是比较容易破解。
目前市场上都是由专业的公司和团队实现加解密功能。
一口君之前曾写过聊天室的一个小项目，
后面一口君会基于该加密机制，将聊天室所有客户端与服务器所有交互数据进行加密处理，请大家持续关注：一口Linux。
本文完整代码下载地址：
链接：https://pan.baidu.com/s/1VvGNlNGEUWWZHQZ1_gYU7A 提取码：o9se
后台回复：数据加密，即可获得全部源码
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