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

1. 一篇文章彻底弄懂Base64编码原理

2. 【C++】STL常用容器总结之十二：string类

3. 加密算法汇总

4. DES算法加密原理