手把手教你如何实现一个简单的数据加密算法

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？

《C语言实现MD5，竟如此简单！》

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，

《从0实现基于Linux socket聊天室》

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

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