本文，一口君带着大家自己实现一个简单但也很实用的加密方法，
让大家了解实际项目开发中数据加密的流程。
一、一种常见的网络通信的加密流程
关于加密的算法很多，实际实现过程千差万别，
下图是一个常见的网络通信加密的应用场景。
密码机的一些说明：
- 客户端服务器端都可以设置密码机(可以是软件、也可以是一个硬件，可以在本地也可以在某个服务器上，只要能够产生密钥即可)
- keygen和同步码都会影响到密码机生成的密钥序列
- 密码机在keygen和同步码相同的情况下，会产生相同的密钥序列，加解密双方需要记住产生密钥的顺序，解密多少数据就申请多少密钥
如上图所示，基于C/S架构的服务器和客户端通信模型，
下面以客户端如果要发送一段加密的密文给服务器，C/S需要交互的流程。
1 服务器端发送密钥密文
首先服务器端、客户端都保存了一个默认的密钥
服务器端随机生成密钥keygen，并使用该默认密钥对keygen加密，生成密钥密文
客户端可以通过命令定期请求该密钥密文或者服务器定时下发
客户端收到密钥密文后，也可以通过默认密钥进行解密得到明文的keygen
2. 客户端对数据加密
客户端在发送数据之前，首先生成一个同步码
将同步码和keygen设置给密码机，然后向密码机申请一定长度的密钥
将明文和密钥通过一定的算法进行加密(通常是异或)，生成数据密文
3. 客户端发送同步码和数据密文
客户端将数据密文和同步码明文一起发送给服务器
服务器提取出同步码
4. 服务器端接收数据并解密
服务器将keygen和同步码设置给密码机，同时申请一定数量的密钥
服务器根据密钥对密文进行解密，即得到对应的明文
因为服务器和客户端此时都使用了相同的keygen，和同步码，所以双方申请的密钥序列一定是一样的。
二、函数实现
下面是一口君实现的加密算法的一些函数原型以及功能说明，这些函数基本实现了第一节的功能。
1. 申请加密密钥函数request_key
- int request_key(int sync,int key_num,char key[])
- 功能：
- 向密码机申请一定数量的用于加密数据的密钥，如果不设置新的keygen，那么生成的密码会顺序产生下去，每次申请密钥都会记录上次生成的密钥的偏移，下次在申请的时候，都会从上一位置继续分配密钥
- 参数：
- sync：同步码，密码机依据此同步产生随机序列的密钥
- key_num：申请的密钥个数
- key：申请的密钥存储的缓存
- 返回值:
- 实际返回密钥个数
2. 设置密钥序列函数set_keygen
- void set_keygen(int key)
- 功能：
- 向密码机设置keygen，设置后会影响产生的随机密钥序列
- 参数：
- key：密钥
- 返回值:
- 无
3. 产生随机数born_seed
- int born_seed(int sync,int key)
- 功能：
- 根据同步码和keygen生成随机密钥种子
- 参数：
- sync：同步码
- key：密钥
- 返回值:
- 种子
4. 重置keygen reset_keygen()
- void reset_keygen()
- 功能：
- 重置keygen，会影响生成的随机数序列
三、测试代码实例
最终文件如下：
- key.c key.h main.c
示例1 检测产生的随机序列
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- int i;
- unsigned int len;
- int j, r, key_num;
- unsigned int sync = 0;
- unsigned char key[MAX_KEY_REQUEST];
- key_num = 10;
- printf("\n--------------采用默认keygen 同步码=0 产生密文----------------\n");
- reset_keygen();
- memset(key,0,sizeof(key));
- len = request_key(sync,key_num,key);
- print_array("密钥0-9:",key,len);
- memset(key,0,sizeof(key));
- len = request_key(sync,key_num,key);
- print_array("密钥10-19:",key,len);
- printf("\n--------------采用keygen=1234 同步码=0 产生密文----------------\n");
- set_keygen(1234);
- memset(key,0,sizeof(key));
- len = request_key(sync,key_num,key);
- print_array("密钥0-9:",key,len);
- memset(key,0,sizeof(key));
- len = request_key(sync,key_num,key);
- print_array("密钥10-19:",key,len);
- }
执行结果：
- --------------采用默认keygen 同步码=0 产生密文----------------
- 密钥0-9: ----[10]
- a5 52 c8 14 5d f7 46 5b 89 42
- 密钥10-19: ----[10]
- 38 69 6f a6 08 d2 69 39 cd 29
- --------------采用keygen=1234 同步码=0 产生密文----------------
- 密钥0-9: ----[10]
- 0e 83 0b 73 ec f5 4b 4a 74 35
- 密钥10-19: ----[10]
- e7 f1 06 41 c8 6b aa df 0c 3d
可以看到采用不同的keygen产生的随机序列是不一样的。
如果设置不同的同步码，仍然序列还会不一样。
示例2 用默认keygen，加解密
- char data0[10]={
- 0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0x10,
- };
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- int i;
- unsigned int len;
- int j, r, key_num;
- unsigned int sync = 0;
- unsigned char key[MAX_KEY_REQUEST];
- char buf[120]={0};
- key_num = 10;
- printf("\n--------------采用默认keygen开始加密----------------\n");
- reset_keygen();
- print_array("\n明文:",data0,key_num);
- memset(key,0,sizeof(key));
- len = request_key(sync,key_num,key);
- print_array("密钥:",key,len);
- for(i=0;i<len;i++)
- {
- buf[i] = data0[i]^key[i];
- }
- print_array("\n密文:",buf,len);
- printf("\n--------------------开始解密--------------------\n");
- reset_keygen();
- memset(key,0,sizeof(key));
- len = request_key(sync,key_num,key);
- for(i=0;i<len;i++)
- {
- buf[i] = buf[i]^key[i];
- }
- print_array("\n明文:",buf,len);
- }
测试结果
- --------------采用默认keygen开始加密----------------
- 明文: ----[10]
- 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
- 密钥: ----[10]
- a5 52 c8 14 5d f7 46 5b 89 42
- 密文: ----[10]
- a4 50 cb 10 58 f1 41 53 80 52
- --------------------开始解密--------------------
- 明文: ----[10]
- 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
示例3 用不同的keygen和同步码加解密
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- int i;
- unsigned int len;
- int j, r, key_num;
- unsigned int sync = 0;
- unsigned char key[MAX_KEY_REQUEST];
- char buf[120]={0};
- unsigned int mykeygen;
- if (argc != 4) {
- fprintf(stderr, "Usage: %s <seed> <key num> <keygen>\n", argv[0]);
- exit(EXIT_FAILURE);
- }
- sync = atoi(argv[1]);
- key_num = atoi(argv[2]);
- mykeygen = atoi(argv[3]);
- printf("\n--------------采用自定义的keygen、同步码开始加密----------------\n");
- set_keygen(mykeygen);
- print_array("\n明文:",data0,key_num);
- memset(key,0,sizeof(key));
- len = request_key(sync,key_num,key);
- print_array("密钥:",key,len);
- for(i=0;i<len;i++)
- {
- buf[i] = data0[i]^key[i];
- }
- print_array("\n密文:",buf,len);
- printf("\n--------------------开始解密--------------------\n");
- set_keygen(mykeygen);
- memset(key,0,sizeof(key));
- len = request_key(sync,key_num,key);
- for(i=0;i<len;i++)
- {
- buf[i] = buf[i]^key[i];
- }
- print_array("\n明文:",buf,len);
- exit(EXIT_SUCCESS);
- }
执行结果如下：
- --------------采用自定义的keygen、同步码开始加密----------------
- 明文: ----[10]
- 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
- 密钥: ----[10]
- 53 00 29 cd 27 eb cc 80 1a d7
- 密文: ----[10]
- 52 02 2a c9 22 ed cb 88 13 c7
- --------------------开始解密--------------------
- 明文: ----[10]
- 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
可见我们的确实现了数据的加密和解密。
四、数据加密的实际使用
假定我们使用上述实例代码，把对应的功能移植到C/S两端，
那么一次完整的数据加密以及数据的传输参考流程如下：
记住一点，只要双方设置相同的keygen和同步码，那么密码机吐出来的密钥就是相同序列，
客户端发送每发送一个报文，就把自己的明文同步码一起发送给服务器，
服务器根据提前发送给客户端的keygen和同步码就可以实现解密操作，
虽然你可以看到明文的同步码，
但是还需要破解密码机算法、服务器下发的keygen密文。
五、 原理
实现加密算法的主要问题是如何产生随机序列作为密钥。
本例是借用库函数rand() 原型如下：
- #include
- int rand(void);
函数rand() 虽然可以产生随机序列，但是每次产生的序列其实顺序是一样的。
- #include <stdio.h>
- main()
- {
- int i = 0;
- for(i=0;i<10;i++)
- {
- printf("%d ",rand());
- }
- putchar('\n');
- }
运行结果如下：
- peng@peng-virtual-machine:/mnt/hgfs/peng/rand/code$ ./a.out
- 1804289383 846930886 1681692777 1714636915 1957747793 424238335 719885386 1649760492 596516649 1189641421
- peng@peng-virtual-machine:/mnt/hgfs/peng/rand/code$ ./a.out
- 1804289383 846930886 1681692777 1714636915 1957747793 424238335 719885386 1649760492 596516649 1189641421
要想每次都产生不一样的随机序列应该怎么办呢?需要借助srand()函数
- void srand(unsigned int seed);
只需要通过该函数设置一个种子，那么产生的序列，就会完全不一样，
通常我们用time()返回值作为种子，
在此我们随便写入几个数据，来测试下该函数
- #include <stdio.h>
- main()
- {
- int i = 0;
- srand(111);
- for(i=0;i<10;i++)
- {
- printf("%d ",rand());
- }
- putchar('\n');
- srand(1111);
- for(i=0;i<10;i++)
- {
- printf("%d ",rand());
- }
- putchar('\n');
- }
执行结果如下：
- peng@peng-virtual-machine:/mnt/hgfs/peng/rand/code$ ./a.out
- 1629905861 708017477 1225010071 14444113 324837614 2112273117 1166384513 1539134273 1883039818 779189906
- 1383711924 882432674 1555165704 1334863495 1474679554 676796645 154721979 534868285 1892754119 100411878
可见输入不同的种子就会产生不同的序列。
函数原型如下：
图片本例原理比较简单，没有考虑太复杂的应用(比如多路密钥的管理)和数据安全性，
只阐述加解密的流程，仅作为学习理解加解密流程用，此种加密算法属于对称加密，相对比较简单，还是比较容易破解。
目前市场上都是由专业的公司和团队实现加解密功能。
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