C#實現常見加密演演算法的範例程式碼

2022-07-24 14:01:36

前言

最近專案中需要用到字串加解密，遂研究了一波，發現密碼學真的是博大精深，好多演演算法的設計都相當巧妙，學到了不少東西，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）
金鑰（K，Key）
加密演演算法（E，Encypted Algorithm）
解密演演算法（D，Decrypted Algorithm）
公鑰（Public Key）
私鑰（Private Key）

常見加密演演算法如下，本文主要介紹紅框裡邊的5種演演算法以及C#程式碼實現

1. Base64編碼

1.1 原理介紹

（1）Base64是一種基於64個可列印字元來表示二進位制資料的表示方法。其索引表如下：

共包含64個可列印字元為：A-Z、a-z、0-9、+、/，另外還會有“=”或者“==”作為填充字元出現在編碼中。

（2）編碼規則

將待編碼字串每三個位元組分為一組，每組24bit
將上邊的24bit分為4組，每組6bit
在每組前新增兩個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）位元組數不足3個時

兩個位元組：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，第四組完全沒有資料則用“=”補上。因此上圖“BC”經過Base64編碼之後變為“QkM=”；

一個位元組：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，後兩組完全沒有資料都用“=”補上。因此上圖“A”經過Base64編碼之後變為“QQ==”。

1.2 C#程式碼

// 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金鑰。

舉例說明，假設明文為“ABCD”，金鑰設定為7，那麼對應的密文就是“HIJK”。具體流程如下表所示：

2.2 C#程式碼

// Caesar Cipher（凱撒密碼）
public sealed class Caesar
{
    // 加密
    public static string CaesarEncrypt(string plaintext, int key)
    {
        // 字串轉換為位元組陣列
        byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(plaintext);
        string rst = null;
 
        for (int i = 0; i < origin.Length; i++)
        {
            // 獲取字元ASCII碼
            int asciiCode = (int)origin[i];
 
            // 偏移
            asciiCode += key;
            byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
 
            // 將偏移後的資料轉為字元
            ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
            string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
 
            // 拼接資料
            rst += strCharacter;
        }
        return rst;
    }
 
    // 解密
    public static string CaesarDecrypt(string ciphertext, int key)
    {
        // 字串轉換為位元組陣列
        byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(ciphertext);
        string rst = null;
 
        for (int i = 0; i < origin.Length; i++)
        {
            // 獲取字元ASCII碼
            int asciiCode = (int)origin[i];
 
            // 偏移
            asciiCode -= key;
            byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
 
            // 將偏移後的資料轉為字元
            ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
            string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
 
            // 拼接資料
            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（即金鑰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，金鑰字母作為行，所對應座標上的字母即為對應的密文字母。

可以用上述表格直接查詢對應的密文，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表示金鑰，維吉尼亞加密演演算法可表示為：

密文可表示為：

舉例說明，假設明文為“I AM A CHINESE”，金鑰為“CHINA”，那麼密文就是“L HU N CJPVRSG”。具體過程如下表：

3.2 C#程式碼

// 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 };
 
            // 將偏移後的資料轉為字元
            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 };
 
            // 將偏移後的資料轉為字元
            ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
            string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
 
            plaintext += strCharacter;
        }
        return plaintext;
    }
}

4. DES

4.1 原理介紹

DES（資料加密標準，Data Encryption Standard），出自IBM的研究，後被美國政府正式採用，金鑰長度56位，以現代的計算能力可在24h以內被暴力破解。演演算法設計原理參考這篇部落格。

順便說一下3DES（Triple DES），它是DES向AES過渡的加密演演算法，使用3條56位的金鑰對資料進行三次加密。是DES的一個更安全的變形。它以DES為基本模組，通過組合分組方法設計出分組加密演演算法。比起最初的DES，3DES更為安全。

4.2 C#程式碼

C#中提供封裝好的DES加解密方法，直接呼叫即可。

// DES（資料加密標準，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">金鑰，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">金鑰，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（高階加密演演算法，Advanced Encryption Standard），美國政府提出，該加密演演算法採用對稱分組密碼體制，提供128位元、192位和256位三種金鑰長度，演演算法應易於各種硬體和軟體實現。這種加密演演算法是美國聯邦政府採用的區塊加密標準。AES本身就是為了取代DES的，AES具有更好的安全性、效率和靈活性。

5.2 C#程式碼

// AES（高階加密演演算法，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">金鑰，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">金鑰，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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