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标题: 常见加密算法C#实现（一） [打印本页]
作者: 曹旭辉    时间: 2022-8-31 11:40
标题: 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：
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

　　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


1.2 C#代码
  1. // Base64编码
  2. public sealed class Base64
  3. {
  4.     // Base64加密
  5.     public static string Base64Encrypt(string plaintext)
  6.     {
  7.         string ciphertext = "";
  9.         byte[] buffer = Encoding.ASCII.GetBytes(plaintext);
  10.         ciphertext = Convert.ToBase64String(buffer);
  12.         return ciphertext;
  13.     }
  15.     // Base64解密
  16.     public static string Base64Decrypt(string ciphertext)
  17.     {
  18.         string plaintext = "";
  20.         byte[] buffer = Convert.FromBase64String(ciphertext);
  21.         plaintext = Encoding.ASCII.GetString(buffer);
  23.         return plaintext;
  24.     }
  25. }　
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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
  1. // Caesar Cipher（凯撒密码）
  2. public sealed class Caesar
  3. {
  4.     // 加密
  5.     public static string CaesarEncrypt(string plaintext, int key)
  6.     {
  7.         // 字符串转换为字节数组
  8.         byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(plaintext);
  9.         string rst = null;
  11.         for (int i = 0; i < origin.Length; i++)
  12.         {
  13.             // 获取字符ASCII码
  14.             int asciiCode = (int)origin[i];
  16.             // 偏移
  17.             asciiCode += key;
  18.             byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
  20.             // 将偏移后的数据转为字符
  21.             ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
  22.             string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
  24.             // 拼接数据
  25.             rst += strCharacter;
  26.         }
  27.         return rst;
  28.     }
  30.     // 解密
  31.     public static string CaesarDecrypt(string ciphertext, int key)
  32.     {
  33.         // 字符串转换为字节数组
  34.         byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(ciphertext);
  35.         string rst = null;
  37.         for (int i = 0; i < origin.Length; i++)
  38.         {
  39.             // 获取字符ASCII码
  40.             int asciiCode = (int)origin[i];
  42.             // 偏移
  43.             asciiCode -= key;
  44.             byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
  46.             // 将偏移后的数据转为字符
  47.             ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
  48.             string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
  50.             // 拼接数据
  51.             rst += strCharacter;
  52.         }
  53.         return rst;
  54.     }
  55. }
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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
  1. // Vigenere Cipher（维吉尼亚密码）
  2. public sealed class Vigenere
  3. {
  4.     // 加密
  5.     public static string VigenereEncrypt(string plaintext, string key)
  6.     {
  7.         string ciphertext = "";
  9.         byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(plaintext.ToUpper());
  10.         byte[] keys = Encoding.ASCII.GetBytes(key.ToUpper());
  11.         int length = origin.Length;
  12.         int d = keys.Length;
  13.         for (int i = 0; i < length; i++)
  14.         {
  15.             int asciiCode = (int)origin[i];
  17.             // 加密（移位）
  18.             asciiCode = asciiCode + (int)keys[i % d] - (int)'A';
  19.             if (asciiCode > (int)'Z')
  20.             {
  21.                 asciiCode -= 26;
  22.             }
  24.             byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
  26.             // 将偏移后的数据转为字符
  27.             ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
  28.             string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
  30.             ciphertext += strCharacter;
  31.         }
  32.         return ciphertext;
  33.     }
  35.     // 解密
  36.     public static string VigenereDecrypt(string ciphertext, string key)
  37.     {
  38.         string plaintext = "";
  40.         byte[] origin = Encoding.ASCII.GetBytes(ciphertext.ToUpper());
  41.         byte[] keys = Encoding.ASCII.GetBytes(key.ToUpper());
  42.         int length = origin.Length;
  43.         int d = keys.Length;
  44.         for (int i = 0; i < length; i++)
  45.         {
  46.             int asciiCode = (int)origin[i];
  48.             // 解密（移位）
  49.             asciiCode = asciiCode - (int)keys[i % d] + (int)'A';
  50.             if (asciiCode < (int)'A')
  51.             {
  52.                 asciiCode += 26;
  53.             }
  55.             byte[] byteArray = new byte[] { (byte)asciiCode };
  57.             // 将偏移后的数据转为字符
  58.             ASCIIEncoding asciiEncoding = new ASCIIEncoding();
  59.             string strCharacter = asciiEncoding.GetString(byteArray);
  61.             plaintext += strCharacter;
  62.         }
  63.         return plaintext;
  64.     }
  65. } 
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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。
  1. // DES（数据加密标准，Data Encryption Standard）
  2. public sealed class DES
  3. {
  4.     /* DES相关
  5.        ecb、ctr模式不需要初始化向量
  6.        cbc、ofc、cfb需要初始化向量
  7.        初始化向量的长度：DES/3DES为8byte；AES为16byte。加解密使用的IV相同。
  8.     */
  10.     /// <summary>
  11.     /// DES加密
  12.     /// </summary>
  13.     /// <param name="plaintext">明文</param>
  14.     /// <param name="key">密钥，长度8byte</param>
  15.     /// <param name="iv">初始化向量，长度8byte</param>
  16.     /// <returns>返回密文</returns>
  17.     public static string DESEncrypt(string plaintext, string key, string iv)
  18.     {
  19.         try
  20.         {
  21.             byte[] btKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
  22.             byte[] btIV = Encoding.UTF8.GetBytes(iv);
  23.             DESCryptoServiceProvider des = new DESCryptoServiceProvider();
  24.             using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
  25.             {
  26.                 byte[] inData = Encoding.UTF8.GetBytes(plaintext);
  27.                 try
  28.                 {
  29.                     using (CryptoStream cs = new CryptoStream(ms, des.CreateEncryptor(btKey, btIV), CryptoStreamMode.Write))
  30.                     {
  31.                         cs.Write(inData, 0, inData.Length);
  32.                         cs.FlushFinalBlock();
  33.                     }
  34.                     return Convert.ToBase64String(ms.ToArray());
  35.                 }
  36.                 catch
  37.                 {
  38.                     return plaintext;
  39.                 }
  40.             }
  41.         }
  42.         catch { }
  43.         return "DES加密出错";
  44.     }
  46.     /// <summary>
  47.     /// DES解密
  48.     /// </summary>
  49.     /// <param name="ciphertext">密文</param>
  50.     /// <param name="key">密钥，长度8byte</param>
  51.     /// <param name="iv">初始化向量，长度8byte</param>
  52.     /// <returns>返回明文</returns>
  53.     public static string DESDecrypt(string ciphertext, string key, string iv)
  54.     {
  55.         if (ciphertext == "") return "";
  56.         try
  57.         {
  58.             byte[] btKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
  59.             byte[] btIV = Encoding.UTF8.GetBytes(iv);
  60.             DESCryptoServiceProvider des = new DESCryptoServiceProvider();
  61.             using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
  62.             {
  63.                 byte[] inData = Convert.FromBase64String(ciphertext);
  64.                 try
  65.                 {
  66.                     using (CryptoStream cs = new CryptoStream(ms, des.CreateDecryptor(btKey, btIV), CryptoStreamMode.Write))
  67.                     {
  68.                         cs.Write(inData, 0, inData.Length);
  69.                         cs.FlushFinalBlock();
  70.                     }
  71.                     return Encoding.UTF8.GetString(ms.ToArray());
  72.                 }
  73.                 catch
  74.                 {
  75.                     return ciphertext;
  76.                 }
  77.             }
  78.         }
  79.         catch { }
  80.         return "DES解密出错";
  81.     }
  82. }
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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
  1. // AES（高级加密算法，Advanced Encryption Standard），美政府提出
  2. public sealed class AES
  3. {
  4.     /// <summary>
  5.     /// AES加密
  6.     /// </summary>
  7.     /// <param name="plaintext">明文</param>
  8.     /// <param name="key">密钥，长度16byte</param>
  9.     /// <param name="IV">初始化向量，长度16byte</param>
  10.     /// <returns>返回密文</returns>
  11.     public static string AESEncrypt(string plaintext, string key, string iv)
  12.     {
  13.         if (plaintext == "") return "";
  14.         try
  15.         {
  16.             byte[] btKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
  17.             byte[] btIV = Encoding.UTF8.GetBytes(iv);
  19.             byte[] inputByteArray = Encoding.UTF8.GetBytes(plaintext);
  20.             using (AesCryptoServiceProvider provider = new AesCryptoServiceProvider())
  21.             {
  22.                 using (MemoryStream mStream = new MemoryStream())
  23.                 {
  24.                     CryptoStream cStream = new CryptoStream(mStream, provider.CreateEncryptor(btKey, btIV), CryptoStreamMode.Write);
  25.                     cStream.Write(inputByteArray, 0, inputByteArray.Length);
  26.                     cStream.FlushFinalBlock();
  27.                     cStream.Close();
  28.                     return Convert.ToBase64String(mStream.ToArray());
  29.                 }
  30.             }
  31.         }
  32.         catch { }
  33.         return "AES加密出错";
  34.     }
  36.     /// <summary>
  37.     /// AES解密
  38.     /// </summary>
  39.     /// <param name="ciphertext">密文</param>
  40.     /// <param name="key">密钥，长度16byte</param>
  41.     /// <param name="iv">初始化向量，长度16byte</param>
  42.     /// <returns>返回明文</returns>
  43.     public static string AESDecrypt(string ciphertext, string key, string iv)
  44.     {
  45.         if (ciphertext == "") return "";
  46.         try
  47.         {
  48.             byte[] btKey = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
  49.             byte[] btIV = Encoding.UTF8.GetBytes(iv);
  51.             byte[] inputByteArray = Convert.FromBase64String(ciphertext);
  52.             using (AesCryptoServiceProvider provider = new AesCryptoServiceProvider())
  53.             {
  54.                 using (MemoryStream mStream = new MemoryStream())
  55.                 {
  56.                     CryptoStream cStream = new CryptoStream(mStream, provider.CreateDecryptor(btKey, btIV), CryptoStreamMode.Write);
  57.                     cStream.Write(inputByteArray, 0, inputByteArray.Length);
  58.                     cStream.FlushFinalBlock();
  59.                     cStream.Close();
  60.                     return Encoding.UTF8.GetString(mStream.ToArray());
  61.                 }
  62.             }
  63.         }
  64.         catch { }
  65.         return "AES解密出错";
  66.     }
  67. }　
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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

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