常见加密算法C#实现（一）
前言：最近项目中需要用到字符串加解密，遂研究了一波，发现密码学真的是博大精深，好多算法的设计都相当巧妙，学到了不少东西，在这里做个小小的总结，方便后续查阅。
文中关键词：
- 明文（P，Plaintext）
- 密文（C，Ciphertext）
- 密钥（K，Key）
- 加密算法（E，Encypted Algorithm）
- 解密算法（D，Decrypted Algorithm）
- 公钥（Public Key）
- 私钥（Private Key）
常见加密算法如下，本文主要介绍红框里边的5种算法以及C#代码实现
1. Base64编码
1.1 原理介绍
（1）Base64是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的表示方法。其索引表如下：
共包含64个可打印字符为：A-Z、a-z、0-9、+、/，另外还会有“=”或者“==”作为填充字符出现在编码中。
（2）编码规则
- 将待编码字符串每三个字节分为一组，每组24bit
- 将上边的24bit分为4组，每组6bit
- 在每组前添加两个0，每组由6bit变为8bit，总共32bit，即4byte
- 根据Base64编码对照表获取对应的编码值
上述图例中：“Man”经过Base64编码之后变为“TWFu”。
（3）字节数不足3个时
- 两个字节：2byte共16bit，按照编码规则，每6bit分为一组，则第三组缺少2bit，用0补齐，得到3个Based64编码，第四组完全没有数据则用“=”补上。因此上图“BC”经过Base64编码之后变为“QkM=”；
- 一个字节：1byte共8bit，按照编码规则，每6bit分为一组，则第二组缺少4bit，用0补齐，得到2个Based64编码，后两组完全没有数据都用“=”补上。因此上图“A”经过Base64编码之后变为“QQ==”。
1.2 C#代码
// Base64编码
public sealed class Base64
{
// Base64加密
public static string Base64Encrypt(string plaintext)
{
string ciphertext = "";
byte[] buffer = Encoding.ASCII.GetBytes(plaintext);
ciphertext = Convert.ToBase64String(buffer);
return ciphertext;
}
// Base64解密
public static string Base64Decrypt(string ciphertext)
{
string plaintext = "";
byte[] buffer = Convert.FromBase64String(ciphertext);
plaintext = Encoding.ASCII.GetString(buffer);
return plaintext;
}
}
2. 凯撒密码
2.1 原理介绍
凯撒密码是一种很古老的加密体制，主要是通过代换来达到加密的目的。其基本思想是：通过把字母移动一定的位数来实现加密和解密。移动位数就是加密和解密的密钥。
举例说明，假设明文为“ABCD”，密钥设置为7，那么对应的密文就是“HIJK”。具体流程如下表所示：
2.2 C#代码
// Caesar Cipher（凯撒密码）
public sealed class Caesar
{
// 加密
public static string CaesarEncrypt(string plaintext, int key)
{
// 字符串转换为字节数组
byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(plaintext);
string rst = null;
for (int i = 0; i < origin.Length; i++)
{
// 获取字符ASCII码
int asciiCode = (int)origin[i];
// 偏移
asciiCode += key;
byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
// 将偏移后的数据转为字符
ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
// 拼接数据
rst += strCharacter;
}
return rst;
}
// 解密
public static string CaesarDecrypt(string ciphertext, int key)
{
// 字符串转换为字节数组
byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(ciphertext);
string rst = null;
for (int i = 0; i < origin.Length; i++)
{
// 获取字符ASCII码
int asciiCode = (int)origin[i];
// 偏移
asciiCode -= key;
byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
// 将偏移后的数据转为字符
ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
// 拼接数据
rst += strCharacter;
}
return rst;
}
}
3. Vigenere密码
3.1 原理介绍
在凯撒密码中，每一个字母通过一定的偏移量（即密钥K）变成另外一个字母，而维吉尼亚密码就是由多个偏移量不同的凯撒密码组成，属于多表密码的一种。在一段时间里它曾被称为“不可破译的密码”。
维吉尼亚密码在加密和解密时，需要一个表格进行对照。表格一般为26*26的矩阵，行和列都是由26个英文字母组成。加密时，明文字母作为列，密钥字母作为行，所对应坐标上的字母即为对应的密文字母。
可以用上述表格直接查找对应的密文，也可通过取模计算的方式。用0-25代替字母A-Z，C表示密文，P表示明文，K表示密钥，维吉尼亚加密算法可表示为：
密文可表示为：
举例说明，假设明文为“I AM A CHINESE”，密钥为“CHINA”，那么密文就是“L HU N CJPVRSG”。具体过程如下表：
3.2 C#代码
// Vigenere Cipher（维吉尼亚密码）
public sealed class Vigenere
{
// 加密
public static string VigenereEncrypt(string plaintext, string key)
{
string ciphertext = "";
byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(plaintext.ToUpper());
byte[] keys = Encoding.ASCII.GetBytes(key.ToUpper());
int length = origin.Length;
int d = keys.Length;
for (int i = 0; i < length; i++)
{
int asciiCode = (int)origin[i];
// 加密（移位）
asciiCode = asciiCode + (int)keys[i % d] - (int)'A';
if (asciiCode > (int)'Z')
{
asciiCode -= 26;
}
byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
// 将偏移后的数据转为字符
ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
ciphertext += strCharacter;
}
return ciphertext;
}
// 解密
public static string VigenereDecrypt(string ciphertext, string key)
{
string plaintext = "";
byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(ciphertext.ToUpper());
byte[] keys = Encoding.ASCII.GetBytes(key.ToUpper());
int length = origin.Length;
int d = keys.Length;
for (int i = 0; i < length; i++)
{
int asciiCode = (int)origin[i];
// 解密（移位）
asciiCode = asciiCode - (int)keys[i % d] + (int)'A';
if (asciiCode < (int)'A')
{
asciiCode += 26;
}
byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
// 将偏移后的数据转为字符
ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
plaintext += strCharacter;
}
return plaintext;
}
}
4. DES
4.1 原理介绍
DES（数据加密标准，Data Encryption Standard），出自IBM的研究，后被美国政府正式采用，密钥长度56位，以现代的计算能力可在24h以内被暴力破解。算法设计原理参考这篇博客。
顺便说一下3DES（Triple DES），它是DES向AES过渡的加密算法，使用3条56位的密钥对数据进行三次加密。是DES的一个更安全的变形。它以DES为基本模块，通过组合分组方法设计出分组加密算法。比起最初的DES，3DES更为安全。
4.2 C#代码
C#中提供封装好的DES加解密方法，直接调用即可。
// DES（数据加密标准，Data Encryption Standard）
public sealed class DES
{
/* DES相关
ecb、ctr模式不需要初始化向量
cbc、ofc、cfb需要初始化向量
初始化向量的长度：DES/3DES为8byte；AES为16byte。加解密使用的IV相同。
*/
/// <summary>
/// DES加密
/// </summary>
/// <param name="plaintext">明文</param>
/// <param name="key">密钥，长度8byte</param>
/// <param name="iv">初始化向量，长度8byte</param>
/// <returns>返回密文</returns>
public static string DESEncrypt(string plaintext, string key, string iv)
{
try
{
byte[] btKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
byte[] btIV = Encoding.UTF8.GetBytes(iv);
DESCryptoServiceProvider des = new DESCryptoServiceProvider();
using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
{
byte[] inData = Encoding.UTF8.GetBytes(plaintext);
try
{
using (CryptoStream cs = new CryptoStream(ms, des.CreateEncryptor(btKey, btIV), CryptoStreamMode.Write))
{
cs.Write(inData, 0, inData.Length);
cs.FlushFinalBlock();
}
return Convert.ToBase64String(ms.ToArray());
}
catch
{
return plaintext;
}
}
}
catch { }
return "DES加密出错";
}
/// <summary>
/// DES解密
/// </summary>
/// <param name="ciphertext">密文</param>
/// <param name="key">密钥，长度8byte</param>
/// <param name="iv">初始化向量，长度8byte</param>
/// <returns>返回明文</returns>
public static string DESDecrypt(string ciphertext, string key, string iv)
{
if (ciphertext == "") return "";
try
{
byte[] btKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
byte[] btIV = Encoding.UTF8.GetBytes(iv);
DESCryptoServiceProvider des = new DESCryptoServiceProvider();
using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
{
byte[] inData = Convert.FromBase64String(ciphertext);
try
{
using (CryptoStream cs = new CryptoStream(ms, des.CreateDecryptor(btKey, btIV), CryptoStreamMode.Write))
{
cs.Write(inData, 0, inData.Length);
cs.FlushFinalBlock();
}
return Encoding.UTF8.GetString(ms.ToArray());
}
catch
{
return ciphertext;
}
}
}
catch { }
return "DES解密出错";
}
}
5. AES
5.1 原理简述
AES（高级加密算法，Advanced Encryption Standard），美国政府提出，该加密算法采用对称分组密码体制，提供128位、192位和256位三种密钥长度，算法应易于各种硬件和软件实现。这种加密算法是美国联邦政府采用的区块加密标准。AES本身就是为了取代DES的，AES具有更好的安全性、效率和灵活性。
5.2 C#代码
// AES（高级加密算法，Advanced Encryption Standard），美政府提出
public sealed class AES
{
/// <summary>
/// AES加密
/// </summary>
/// <param name="plaintext">明文</param>
/// <param name="key">密钥，长度16byte</param>
/// <param name="IV">初始化向量，长度16byte</param>
/// <returns>返回密文</returns>
public static string AESEncrypt(string plaintext, string key, string iv)
{
if (plaintext == "") return "";
try
{
byte[] btKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
byte[] btIV = Encoding.UTF8.GetBytes(iv);
byte[] inputByteArray = Encoding.UTF8.GetBytes(plaintext);
using (AesCryptoServiceProvider provider = new AesCryptoServiceProvider())
{
using (MemoryStream mStream = new MemoryStream())
{
CryptoStream cStream = new CryptoStream(mStream, provider.CreateEncryptor(btKey, btIV), CryptoStreamMode.Write);
cStream.Write(inputByteArray, 0, inputByteArray.Length);
cStream.FlushFinalBlock();
cStream.Close();
return Convert.ToBase64String(mStream.ToArray());
}
}
}
catch { }
return "AES加密出错";
}
/// <summary>
/// AES解密
/// </summary>
/// <param name="ciphertext">密文</param>
/// <param name="key">密钥，长度16byte</param>
/// <param name="iv">初始化向量，长度16byte</param>
/// <returns>返回明文</returns>
public static string AESDecrypt(string ciphertext, string key, string iv)
{
if (ciphertext == "") return "";
try
{
byte[] btKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
byte[] btIV = Encoding.UTF8.GetBytes(iv);
byte[] inputByteArray = Convert.FromBase64String(ciphertext);
using (AesCryptoServiceProvider provider = new AesCryptoServiceProvider())
{
using (MemoryStream mStream = new MemoryStream())
{
CryptoStream cStream = new CryptoStream(mStream, provider.CreateDecryptor(btKey, btIV), CryptoStreamMode.Write);
cStream.Write(inputByteArray, 0, inputByteArray.Length);
cStream.FlushFinalBlock();
cStream.Close();
return Encoding.UTF8.GetString(mStream.ToArray());
}
}
}
catch { }
return "AES解密出错";
}
}
参考资料
3. 加密算法汇总
4. DES算法加密原理
