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手把手教你如何实现一个简单的数据加解密算法

2021-11-10 22:55一口Linux土豆居士 编程技术

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.

手把手教你如何实现一个简单的数据加解密算法

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，可以在本地也可以在某个服务器上，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

    • 手把手教你如何实现一个简单的数据加解密算法

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

  1. int request_key(int sync,int key_num,char key[])
  2. 功能：
  3. 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
  4. 参数：
  5. sync：同步码，密码机依据此同步产生随机序列的密钥
  6. key_num：申请的密钥个数
  7. key：申请的密钥存储的缓存
  8. 返回值:
  9. 实际返回密钥个数

2. 设置密钥序列函数set_keygen

  1. void set_keygen(int key)
  2. 功能：
  3. 向密码机设置keygen，设置后会影响产生的随机密钥序列
  4. 参数：
  5. key：密钥
  6. 返回值:
  7. 无

3. 产生随机数born_seed

  1. int born_seed(int sync,int key)
  2. 功能：
  3. 根据同步码和keygen生成随机密钥种子
  4. 参数：
  5. sync：同步码
  6. key：密钥
  7. 返回值:
  8. 种子

4. 重置keygen reset_keygen()

  1. void reset_keygen()
  2. 功能：
  3. 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：

  1. key.c key.h main.c

示例1 检测产生的随机序列

  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];
  10. key_num = 10;
  12. printf("\n--------------采用默认keygen 同步码=0 产生密文----------------\n");
  13. reset_keygen();
  15. memset(key,0,sizeof(key));
  16. len = request_key(sync,key_num,key);
  18. print_array("密钥0-9:",key,len);
  20. memset(key,0,sizeof(key));
  21. len = request_key(sync,key_num,key);
  23. print_array("密钥10-19:",key,len);
  25. printf("\n--------------采用keygen=1234 同步码=0 产生密文----------------\n");
  26. set_keygen(1234);
  28. memset(key,0,sizeof(key));
  29. len = request_key(sync,key_num,key);
  31. print_array("密钥0-9:",key,len);
  33. memset(key,0,sizeof(key));
  34. len = request_key(sync,key_num,key);
  36. print_array("密钥10-19:",key,len);
  37. }

执行结果：

  1. --------------采用默认keygen 同步码=0 产生密文----------------
  2. 密钥0-9: ----[10]
  3. a5 52 c8 14 5d f7 46 5b 89 42
  4. 密钥10-19: ----[10]
  5. 38 69 6f a6 08 d2 69 39 cd 29
  7. --------------采用keygen=1234 同步码=0 产生密文----------------
  8. 密钥0-9: ----[10]
  9. 0e 83 0b 73 ec f5 4b 4a 74 35
  10. 密钥10-19: ----[10]
  11. 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

  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};
  13. key_num = 10;
  14. printf("\n--------------采用默认keygen开始加密----------------\n");
  15. reset_keygen();
  16. print_array("\n明文:",data0,key_num);
  18. memset(key,0,sizeof(key));
  19. len = request_key(sync,key_num,key);
  21. print_array("密钥:",key,len);
  22. for(i=0;i
  23. {
  24. buf[i] = data0[i]^key[i];
  25. }
  26. print_array("\n密文:",buf,len);
  28. printf("\n--------------------开始解密--------------------\n");
  29. reset_keygen();
  31. memset(key,0,sizeof(key));
  32. len = request_key(sync,key_num,key);
  35. for(i=0;i
  36. {
  37. buf[i] = buf[i]^key[i];
  38. }
  40. print_array("\n明文:",buf,len);
  41. }

测试结果

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

示例3 用不同的keygen和同步码加解密

  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;
  12. if (argc != 4) {
  13. fprintf(stderr, "Usage: %s \n", argv[0]);
  14. exit(EXIT_FAILURE);
  15. }
  17. sync = atoi(argv[1]);
  18. key_num = atoi(argv[2]);
  19. mykeygen = atoi(argv[3]);
  21. printf("\n--------------采用自定义的keygen、同步码开始加密----------------\n");
  22. set_keygen(mykeygen);
  23. print_array("\n明文:",data0,key_num);
  25. memset(key,0,sizeof(key));
  26. len = request_key(sync,key_num,key);
  27. print_array("密钥:",key,len);
  29. for(i=0;i
  30. {
  31. buf[i] = data0[i]^key[i];
  32. }
  33. print_array("\n密文:",buf,len);
  36. printf("\n--------------------开始解密--------------------\n");
  37. set_keygen(mykeygen);
  39. memset(key,0,sizeof(key));
  40. len = request_key(sync,key_num,key);
  41. for(i=0;i
  42. {
  43. buf[i] = buf[i]^key[i];
  44. }
  45. print_array("\n明文:",buf,len);
  46. exit(EXIT_SUCCESS);
  47. }

执行结果如下：

  1. --------------采用自定义的keygen、同步码开始加密----------------
  3. 明文: ----[10]
  4. 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
  5. 密钥: ----[10]
  6. 53 00 29 cd 27 eb cc 80 1a d7
  8. 密文: ----[10]
  9. 52 02 2a c9 22 ed cb 88 13 c7
  11. --------------------开始解密--------------------
  13. 明文: ----[10]
  14. 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：

手把手教你如何实现一个简单的数据加解密算法

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：

  1. #include
  3. 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。

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

运行结果如下：

  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

要想每次都产生不一样的随机序列应该怎么办呢?需要借助srand()函数

  1. 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

  1. #include
  3. main()
  4. {
  5. int i = 0;
  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. }

执行结果如下：

  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

可见输入不同的种子就会产生不同的序列。

函数原型如下：

图片本例原理比较简单，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。

手把手教你如何实现一个简单的数据加解密算法

目前市场上都是由专业的公司和团队实现加解密功能。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/iWuwZJ0sZQNfMiCsEvmmwQ

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