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

  

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

intrequest_key(intsync,intkey_num,charkey[])
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

voidset_keygen(intkey)
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

intborn_seed(intsync,intkey)
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()

voidreset_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.ckey.hmain.c

示例1 检测产生的随机序列

intmain(intargc,char*argv[])
{
inti;
unsignedintlen;
intj,r,key_num;
unsignedintsync=0;
unsignedcharkey[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]
a552c8145df7465b8942
密钥10-19:----[10]
38696fa608d26939cd29

--------------采用keygen=1234同步码=0产生密文----------------
密钥0-9:----[10]
0e830b73ecf54b4a7435
密钥10-19:----[10]
e7f10641c86baadf0c3d

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

chardata0[10]={
0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0x10,
};
intmain(intargc,char*argv[])
{
inti;
unsignedintlen;
intj,r,key_num;
unsignedintsync=0;
unsignedcharkey[MAX_KEY_REQUEST];
charbuf[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]
01020304050607080910
密钥:----[10]
a552c8145df7465b8942

密文:----[10]
a450cb1058f141538052

--------------------开始解密--------------------

明文:----[10]
01020304050607080910

示例3 用不同的keygen和同步码加解密

intmain(intargc,char*argv[])
{
inti;
unsignedintlen;
intj,r,key_num;
unsignedintsync=0;
unsignedcharkey[MAX_KEY_REQUEST];
charbuf[120]={0};
unsignedintmykeygen;


if(argc!=4){
fprintf(stderr,"Usage:%s<seed><keynum><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]
01020304050607080910
密钥:----[10]
530029cd27ebcc801ad7

密文:----[10]
52022ac922edcb8813c7

--------------------开始解密--------------------

明文:----[10]
01020304050607080910

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

intrand(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()
{
inti=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$./a.out
180428938384693088616816927771714636915195774779342423833571988538616497604925965166491189641421
peng@peng-virtual-machine:/mnt/hgfs/peng/rand/code$./a.out
180428938384693088616816927771714636915195774779342423833571988538616497604925965166491189641421

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

voidsrand(unsignedintseed);

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()
{
inti=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
16299058617080174771225010071144441133248376142112273117116638451315391342731883039818779189906
13837119248824326741555165704133486349514746795546767966451547219795348682851892754119100411878

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。

目前市场上都是由专业的公司和团队实现加解密功能。