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手把手教你如何實現一個簡單的數據加解密算法

作者：土豆居士
安全 數據安全 算法
密碼機在keygen和同步碼相同的情況下，會產生相同的密鑰序列，加解密雙方需要記住產生密鑰的順序，解密多少數據就申請多少密鑰.

本文，一口君帶著大家自己實現一個簡單但也很實用的加密方法，

讓大家了解實際項目開發中數據加密的流程。

一、一種常見的網絡通信的加密流程

關于加密的算法很多，實際實現過程千差萬別，

下圖是一個常見的網絡通信加密的應用場景。

密碼機的一些說明：

  • 客戶端服務器端都可以設置密碼機(可以是軟件、也可以是一個硬件，可以在本地也可以在某個服務器上，只要能夠產生密鑰即可)
  • keygen和同步碼都會影響到密碼機生成的密鑰序列
  • 密碼機在keygen和同步碼相同的情況下，會產生相同的密鑰序列，加解密雙方需要記住產生密鑰的順序，解密多少數據就申請多少密鑰

 

如上圖所示，基于C/S架構的服務器和客戶端通信模型，

下面以客戶端如果要發送一段加密的密文給服務器，C/S需要交互的流程。

1 服務器端發送密鑰密文

首先服務器端、客戶端都保存了一個默認的密鑰

服務器端隨機生成密鑰keygen，并使用該默認密鑰對keygen加密，生成密鑰密文

客戶端可以通過命令定期請求該密鑰密文或者服務器定時下發

客戶端收到密鑰密文后，也可以通過默認密鑰進行解密得到明文的keygen

2. 客戶端對數據加密

客戶端在發送數據之前，首先生成一個同步碼

將同步碼和keygen設置給密碼機，然后向密碼機申請一定長度的密鑰

將明文和密鑰通過一定的算法進行加密(通常是異或)，生成數據密文

3. 客戶端發送同步碼和數據密文

客戶端將數據密文和同步碼明文一起發送給服務器

服務器提取出同步碼

4. 服務器端接收數據并解密

服務器將keygen和同步碼設置給密碼機，同時申請一定數量的密鑰

服務器根據密鑰對密文進行解密，即得到對應的明文

因為服務器和客戶端此時都使用了相同的keygen，和同步碼，所以雙方申請的密鑰序列一定是一樣的。

二、函數實現

下面是一口君實現的加密算法的一些函數原型以及功能說明，這些函數基本實現了第一節的功能。

1. 申請加密密鑰函數request_key

  1. int request_key(int sync,int key_num,char key[]) 
  2. 功能： 
  3.  向密碼機申請一定數量的用于加密數據的密鑰，如果不設置新的keygen，那么生成的密碼會順序產生下去，每次申請密鑰都會記錄上次生成的密鑰的偏移，下次在申請的時候，都會從上一位置繼續分配密鑰 
  4. 參數： 
  5.  sync：同步碼，密碼機依據此同步產生隨機序列的密鑰 
  6.  key_num：申請的密鑰個數 
  7.  key：申請的密鑰存儲的緩存 
  8. 返回值: 
  9.  實際返回密鑰個數 

2. 設置密鑰序列函數set_keygen

  1. void set_keygen(int key) 
  2. 功能： 
  3.  向密碼機設置keygen，設置后會影響產生的隨機密鑰序列 
  4. 參數： 
  5.  key：密鑰 
  6. 返回值: 
  7.  無 

3. 產生隨機數born_seed

  1. int born_seed(int sync,int key) 
  2. 功能： 
  3.  根據同步碼和keygen生成隨機密鑰種子 
  4. 參數： 
  5.     sync：同步碼  
  6.  key：密鑰 
  7. 返回值: 
  8.  種子 

4. 重置keygen reset_keygen()

  1. void reset_keygen() 
  2. 功能： 
  3.  重置keygen，會影響生成的隨機數序列 

三、測試代碼實例

最終文件如下：

  1. key.c key.h main.c 

示例1 檢測產生的隨機序列

  1. int main(int argc, char *argv[]) 
  2. { 
  3.  int i; 
  4.  unsigned int len; 
  5.  int j, r, key_num; 
  6.  unsigned int sync = 0; 
  7.  unsigned char key[MAX_KEY_REQUEST]; 
  8.  
  9.  
  10.  key_num = 10; 
  11.  
  12.  printf("\n--------------采用默認keygen 同步碼=0 產生密文----------------\n"); 
  13.  reset_keygen(); 
  14.  
  15.  memset(key,0,sizeof(key)); 
  16.  len = request_key(sync,key_num,key); 
  17.  
  18.  print_array("密鑰0-9:",key,len); 
  19.  
  20.  memset(key,0,sizeof(key)); 
  21.  len = request_key(sync,key_num,key); 
  22.  
  23.  print_array("密鑰10-19:",key,len); 
  24.  
  25.  printf("\n--------------采用keygen=1234 同步碼=0 產生密文----------------\n"); 
  26.  set_keygen(1234); 
  27.  
  28.  memset(key,0,sizeof(key)); 
  29.  len = request_key(sync,key_num,key); 
  30.  
  31.  print_array("密鑰0-9:",key,len); 
  32.  
  33.  memset(key,0,sizeof(key)); 
  34.  len = request_key(sync,key_num,key); 
  35.  
  36.  print_array("密鑰10-19:",key,len); 
  37. } 

執行結果：

  1. --------------采用默認keygen 同步碼=0 產生密文---------------- 
  2. 密鑰0-9: ----[10] 
  3. a5 52 c8 14 5d f7 46 5b 89 42  
  4. 密鑰10-19: ----[10] 
  5. 38 69 6f a6 08 d2 69 39 cd 29  
  6.  
  7. --------------采用keygen=1234 同步碼=0 產生密文---------------- 
  8. 密鑰0-9: ----[10] 
  9. 0e 83 0b 73 ec f5 4b 4a 74 35  
  10. 密鑰10-19: ----[10] 
  11. e7 f1 06 41 c8 6b aa df 0c 3d  

可以看到采用不同的keygen產生的隨機序列是不一樣的。

如果設置不同的同步碼，仍然序列還會不一樣。

示例2 用默認keygen，加解密

  1. char data0[10]={ 
  2.  0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0x10, 
  3. }; 
  4. int main(int argc, char *argv[]) 
  5. { 
  6.  int i; 
  7.  unsigned int len; 
  8.  int j, r, key_num; 
  9.  unsigned int sync = 0; 
  10.  unsigned char key[MAX_KEY_REQUEST]; 
  11.  char buf[120]={0}; 
  12.  
  13.  key_num = 10; 
  14.  printf("\n--------------采用默認keygen開始加密----------------\n"); 
  15.  reset_keygen(); 
  16.  print_array("\n明文:",data0,key_num); 
  17.  
  18.  memset(key,0,sizeof(key)); 
  19.  len = request_key(sync,key_num,key); 
  20.  
  21.  print_array("密鑰:",key,len); 
  22.  for(i=0;i<len;i++) 
  23.  { 
  24.   buf[i] = data0[i]^key[i]; 
  25.  } 
  26.  print_array("\n密文:",buf,len); 
  27.   
  28.  printf("\n--------------------開始解密--------------------\n"); 
  29.  reset_keygen(); 
  30.  
  31.  memset(key,0,sizeof(key)); 
  32.  len = request_key(sync,key_num,key); 
  33.  
  34.   
  35.  for(i=0;i<len;i++) 
  36.  { 
  37.   buf[i] = buf[i]^key[i]; 
  38.  } 
  39.  
  40.  print_array("\n明文:",buf,len); 
  41. } 

測試結果

  1. --------------采用默認keygen開始加密---------------- 
  2.  
  3. 明文: ----[10] 
  4. 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10  
  5. 密鑰: ----[10] 
  6. a5 52 c8 14 5d f7 46 5b 89 42  
  7.  
  8. 密文: ----[10] 
  9. a4 50 cb 10 58 f1 41 53 80 52  
  10.  
  11. --------------------開始解密-------------------- 
  12.  
  13. 明文: ----[10] 
  14. 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10  

示例3 用不同的keygen和同步碼加解密

  1. int main(int argc, char *argv[]) 
  2. { 
  3.  int i; 
  4.  unsigned int len; 
  5.  int j, r, key_num; 
  6.  unsigned int sync = 0; 
  7.  unsigned char key[MAX_KEY_REQUEST]; 
  8.  char buf[120]={0}; 
  9.  unsigned int mykeygen; 
  10.  
  11.  
  12.  if (argc != 4) { 
  13.   fprintf(stderr, "Usage: %s <seed> <key num> <keygen>\n", argv[0]); 
  14.   exit(EXIT_FAILURE); 
  15.  } 
  16.  
  17.  sync = atoi(argv[1]); 
  18.  key_num = atoi(argv[2]); 
  19.  mykeygen = atoi(argv[3]); 
  20.  
  21.  printf("\n--------------采用自定義的keygen、同步碼開始加密----------------\n"); 
  22.  set_keygen(mykeygen); 
  23.  print_array("\n明文:",data0,key_num); 
  24.  
  25.  memset(key,0,sizeof(key)); 
  26.  len = request_key(sync,key_num,key); 
  27.  print_array("密鑰:",key,len); 
  28.  
  29.  for(i=0;i<len;i++) 
  30.  { 
  31.   buf[i] = data0[i]^key[i]; 
  32.  } 
  33.  print_array("\n密文:",buf,len); 
  34.   
  35.  
  36.  printf("\n--------------------開始解密--------------------\n"); 
  37.  set_keygen(mykeygen); 
  38.  
  39.  memset(key,0,sizeof(key)); 
  40.  len = request_key(sync,key_num,key); 
  41.  for(i=0;i<len;i++) 
  42.  { 
  43.   buf[i] = buf[i]^key[i]; 
  44.  } 
  45.  print_array("\n明文:",buf,len); 
  46.  exit(EXIT_SUCCESS); 
  47. } 

執行結果如下：

  1. --------------采用自定義的keygen、同步碼開始加密---------------- 
  2.  
  3. 明文: ----[10] 
  4. 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10  
  5. 密鑰: ----[10] 
  6. 53 00 29 cd 27 eb cc 80 1a d7  
  7.  
  8. 密文: ----[10] 
  9. 52 02 2a c9 22 ed cb 88 13 c7  
  10.  
  11. --------------------開始解密-------------------- 
  12.  
  13. 明文: ----[10] 
  14. 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10  

可見我們的確實現了數據的加密和解密。

四、數據加密的實際使用

假定我們使用上述實例代碼，把對應的功能移植到C/S兩端，

那么一次完整的數據加密以及數據的傳輸參考流程如下：

記住一點，只要雙方設置相同的keygen和同步碼，那么密碼機吐出來的密鑰就是相同序列，

客戶端發送每發送一個報文，就把自己的明文同步碼一起發送給服務器，

服務器根據提前發送給客戶端的keygen和同步碼就可以實現解密操作，

雖然你可以看到明文的同步碼，

但是還需要破解密碼機算法、服務器下發的keygen密文。

五、 原理

實現加密算法的主要問題是如何產生隨機序列作為密鑰。

本例是借用庫函數rand() 原型如下：

  1. #include 
  2.  
  3. int rand(void); 

函數rand() 雖然可以產生隨機序列，但是每次產生的序列其實順序是一樣的。

  1. #include <stdio.h> 
  2.  
  3. main() 
  4. { 
  5.  int i = 0; 
  6.  
  7.  for(i=0;i<10;i++) 
  8.  { 
  9.   printf("%d ",rand()); 
  10.  } 
  11.  putchar('\n'); 
  12. } 

運行結果如下：

  1. peng@peng-virtual-machine:/mnt/hgfs/peng/rand/code$ ./a.out  
  2. 1804289383 846930886 1681692777 1714636915 1957747793 424238335 719885386 1649760492 596516649 1189641421  
  3. peng@peng-virtual-machine:/mnt/hgfs/peng/rand/code$ ./a.out  
  4. 1804289383 846930886 1681692777 1714636915 1957747793 424238335 719885386 1649760492 596516649 1189641421  

要想每次都產生不一樣的隨機序列應該怎么辦呢?需要借助srand()函數

  1. void srand(unsigned int seed); 

只需要通過該函數設置一個種子，那么產生的序列，就會完全不一樣，

通常我們用time()返回值作為種子，

在此我們隨便寫入幾個數據，來測試下該函數

  1. #include <stdio.h> 
  2.  
  3. main() 
  4. { 
  5.  int i = 0; 
  6.  
  7.  srand(111); 
  8.  for(i=0;i<10;i++) 
  9.  { 
  10.   printf("%d ",rand()); 
  11.  } 
  12.  putchar('\n'); 
  13.  srand(1111); 
  14.  for(i=0;i<10;i++) 
  15.  { 
  16.   printf("%d ",rand()); 
  17.  } 
  18.  putchar('\n'); 
  19. } 

執行結果如下：

  1. peng@peng-virtual-machine:/mnt/hgfs/peng/rand/code$ ./a.out  
  2. 1629905861 708017477 1225010071 14444113 324837614 2112273117 1166384513 1539134273 1883039818 779189906  
  3. 1383711924 882432674 1555165704 1334863495 1474679554 676796645 154721979 534868285 1892754119 100411878  

可見輸入不同的種子就會產生不同的序列。

函數原型如下：

圖片本例原理比較簡單，沒有考慮太復雜的應用(比如多路密鑰的管理)和數據安全性，

只闡述加解密的流程，僅作為學習理解加解密流程用，此種加密算法屬于對稱加密，相對比較簡單，還是比較容易破解。

目前市場上都是由專業的公司和團隊實現加解密功能。

本文轉載自微信公眾號「一口Linux」，可以通過以下二維碼關注。轉載本文請聯系一口Linux公眾號。

 

責任編輯：武曉燕 來源： 一口Linux
數據加解密算法
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