加解密教程：教你如何实现简单的数据加解密技巧

密码学是在区块链技术中承担着非常重要的角色，但其实，在互联网中，也大量的使用着密码学的技术，本文将介绍现代密码学中的早期加密方法，这将有助于我们理解区块链中的复杂算法。本文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。

函数实现

下面是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

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<len;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<len;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 <seed> <key num> <keygen>\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<len;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<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----------------
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。

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。

加密软件原理

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 <stdio.h>
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 <stdio.h>
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。

目前市场上都是由专业的公司和团队实现加解密功能。现在区块链常用的算法，如sha256，都是继承单向函数的设计思维，一个方向计算容易，反过来几乎不能破解，来保证安全。[来源：一口linux]

延伸阅读：密码三要素:明密文，密钥和算法。算法就是你说的“加密原理”。要解密，还要知道密钥。现代密码的基本要求之一就是:密码的安全性不依赖于加密方法的保密。也就是说，破译方即使知道加密方法和密文，不知道密钥也无法还原出明文。