C#實現常見加密算法的示例代碼
前言
最近項目中需要用到字符串加解密，遂研究瞭一波，發現密碼學真的是博大精深，好多算法的設計都相當巧妙，學到瞭不少東西，在這裡做個小小的總結，方便後續查閱。
文中關鍵詞：
- 明文（P，Plaintext）
- 密文（C，Ciphertext）
- 密鑰（K，Key）
- 加密算法（E，Encypted Algorithm）
- 解密算法（D，Decrypted Algorithm）
- 公鑰（Public Key）
- 私鑰（Private Key）
常見加密算法如下，本文主要介紹紅框裡邊的5種算法以及C#代碼實現
1. Base64編碼
1.1 原理介紹
（1）Base64是一種基於64個可打印字符來表示二進制數據的表示方法。其索引表如下：
共包含64個可打印字符為：A-Z、a-z、0-9、+、/，另外還會有“=”或者“==”作為填充字符出現在編碼中。
（2）編碼規則
- 將待編碼字符串每三個字節分為一組，每組24bit
- 將上邊的24bit分為4組，每組6bit
- 在每組前添加兩個0，每組由6bit變為8bit，總共32bit，即4byte
- 根據Base64編碼對照表獲取對應的編碼值
上述圖例中：“Man”經過Base64編碼之後變為“TWFu”。
（3）字節數不足3個時
兩個字節：2byte共16bit，按照編碼規則，每6bit分為一組，則第三組缺少2bit，用0補齊，得到3個Based64編碼，第四組完全沒有數據則用“=”補上。因此上圖“BC”經過Base64編碼之後變為“QkM=”；
一個字節：1byte共8bit，按照編碼規則，每6bit分為一組，則第二組缺少4bit，用0補齊，得到2個Based64編碼，後兩組完全沒有數據都用“=”補上。因此上圖“A”經過Base64編碼之後變為“QQ==”。
1.2 C#代碼
// Base64編碼
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. 凱撒密碼
2.1 原理介紹
凱撒密碼是一種很古老的加密體制，主要是通過代換來達到加密的目的。其基本思想是：通過把字母移動一定的位數來實現加密和解密。移動位數就是加密和解密的密鑰。
舉例說明，假設明文為“ABCD”，密鑰設置為7，那麼對應的密文就是“HIJK”。具體流程如下表所示：
2.2 C#代碼
// Caesar Cipher（凱撒密碼）
public sealed class Caesar
{
// 加密
public static string CaesarEncrypt(string plaintext, int key)
{
// 字符串轉換為字節數組
byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(plaintext);
string rst = null;
for (int i = 0; i < origin.Length; i++)
{
// 獲取字符ASCII碼
int asciiCode = (int)origin[i];
// 偏移
asciiCode += key;
byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
// 將偏移後的數據轉為字符
ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
// 拼接數據
rst += strCharacter;
}
return rst;
}
// 解密
public static string CaesarDecrypt(string ciphertext, int key)
{
// 字符串轉換為字節數組
byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(ciphertext);
string rst = null;
for (int i = 0; i < origin.Length; i++)
{
// 獲取字符ASCII碼
int asciiCode = (int)origin[i];
// 偏移
asciiCode -= key;
byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
// 將偏移後的數據轉為字符
ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
// 拼接數據
rst += strCharacter;
}
return rst;
}
}
3. Vigenere密碼
3.1 原理介紹
在凱撒密碼中，每一個字母通過一定的偏移量（即密鑰K）變成另外一個字母，而維吉尼亞密碼就是由多個偏移量不同的凱撒密碼組成，屬於多表密碼的一種。在一段時間裡它曾被稱為“不可破譯的密碼”。
維吉尼亞密碼在加密和解密時，需要一個表格進行對照。表格一般為26*26的矩陣，行和列都是由26個英文字母組成。加密時，明文字母作為列，密鑰字母作為行，所對應坐標上的字母即為對應的密文字母。
可以用上述表格直接查找對應的密文，也可通過取模計算的方式。用0-25代替字母A-Z，C表示密文，P表示明文，K表示密鑰，維吉尼亞加密算法可表示為：
密文可表示為：
舉例說明，假設明文為“I AM A CHINESE”，密鑰為“CHINA”，那麼密文就是“L HU N CJPVRSG”。具體過程如下表：
3.2 C#代碼
// Vigenere Cipher（維吉尼亞密碼）
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 };
// 將偏移後的數據轉為字符
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 };
// 將偏移後的數據轉為字符
ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
plaintext += strCharacter;
}
return plaintext;
}
}
4. DES
4.1 原理介紹
DES（數據加密標準，Data Encryption Standard），出自IBM的研究，後被美國政府正式采用，密鑰長度56位，以現代的計算能力可在24h以內被暴力破解。算法設計原理參考這篇博客。
順便說一下3DES（Triple DES），它是DES向AES過渡的加密算法，使用3條56位的密鑰對數據進行三次加密。是DES的一個更安全的變形。它以DES為基本模塊，通過組合分組方法設計出分組加密算法。比起最初的DES，3DES更為安全。
4.2 C#代碼
C#中提供封裝好的DES加解密方法，直接調用即可。
// DES（數據加密標準，Data Encryption Standard）
public sealed class DES
{
/* DES相關
ecb、ctr模式不需要初始化向量
cbc、ofc、cfb需要初始化向量
初始化向量的長度：DES/3DES為8byte；AES為16byte。加解密使用的IV相同。
*/
/// <summary>
/// DES加密
/// </summary>
/// <param name="plaintext">明文</param>
/// <param name="key">密鑰，長度8byte</param>
/// <param name="iv">初始化向量，長度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加密出錯";
}
/// <summary>
/// DES解密
/// </summary>
/// <param name="ciphertext">密文</param>
/// <param name="key">密鑰，長度8byte</param>
/// <param name="iv">初始化向量，長度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解密出錯";
}
}
5. AES
5.1 原理簡述
AES（高級加密算法，Advanced Encryption Standard），美國政府提出，該加密算法采用對稱分組密碼體制，提供128位、192位和256位三種密鑰長度，算法應易於各種硬件和軟件實現。這種加密算法是美國聯邦政府采用的區塊加密標準。AES本身就是為瞭取代DES的，AES具有更好的安全性、效率和靈活性。
5.2 C#代碼
// AES（高級加密算法，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">密鑰，長度16byte</param>
/// <param name="IV">初始化向量，長度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加密出錯";
}
/// <summary>
/// AES解密
/// </summary>
/// <param name="ciphertext">密文</param>
/// <param name="key">密鑰，長度16byte</param>
/// <param name="iv">初始化向量，長度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解密出錯";
}
}
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