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

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]; 
8.  
9.  
10.  key_num = 10; 
11.  
12.  printf("/n--------------采用默认keygen 同步码=0 产生密文----------------/n"); 
13.  reset_keygen(); 
14.  
15.  memset(key,0,sizeof(key)); 
16.  len = request_key(sync,key_num,key); 
17.  
18.  print_array("密钥0-9:",key,len); 
19.  
20.  memset(key,0,sizeof(key)); 
21.  len = request_key(sync,key_num,key); 
22.  
23.  print_array("密钥10-19:",key,len); 
24.  
25.  printf("/n--------------采用keygen=1234 同步码=0 产生密文----------------/n"); 
26.  set_keygen(1234); 
27.  
28.  memset(key,0,sizeof(key)); 
29.  len = request_key(sync,key_num,key); 
30.  
31.  print_array("密钥0-9:",key,len); 
32.  
33.  memset(key,0,sizeof(key)); 
34.  len = request_key(sync,key_num,key); 
35.  
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  
6.  
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}; 
12.  
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); 
17.  
18.  memset(key,0,sizeof(key)); 
19.  len = request_key(sync,key_num,key); 
20.  
21.  print_array("密钥:",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--------------------开始解密--------------------/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. } 

测试结果

1. --------------采用默认keygen开始加密---------------- 
2.  
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  
7.  
8. 密文: ----[10] 
9. a4 50 cb 10 58 f1 41 53 80 52  
10.  
11. --------------------开始解密-------------------- 
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; 
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--------------采用自定义的keygen、同步码开始加密----------------/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("密钥:",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--------------------开始解密--------------------/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. } 

执行结果如下：

1. --------------采用自定义的keygen、同步码开始加密---------------- 
2.  
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  
7.  
8. 密文: ----[10] 
9. 52 02 2a c9 22 ed cb 88 13 c7  
10.  
11. --------------------开始解密-------------------- 
12.  
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：

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 
2.  
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 <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. } 

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 <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. } 

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。

目前市场上都是由专业的公司和团队实现加解密功能。

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