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

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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