Tea加密算法和XxTea加密算法

发布时间：2020-06-21 16:47:55 作者：linzheng
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TEA（Tiny Encryption Algorithm）是一种小型的对称加密解密算法，支持128位密码，与BlowFish一样TEA每次只能加密/解密8字节数据。TEA特点是速度快、效率高，实现也非常简单。由于针对TEA的***不断出现，所以TEA也发展出几个版本，分别是XTEA、Block TEA和XXTEA。

TEA加密和解密时都使用一个常量值，这个常量值为0x9e3779b，这个值是近似黄金分割率，注意，有些编程人员为了避免在程序中直接出现"mov 变量，0x9e3779b"，以免被破解者直接搜索0x9e3779b这个常数得知使用TEA算法，所以有时会使用"sub 变量，0x61C88647"代替"mov 变量，0x9e3779b"，0x61C88647=－(0x9e3779b)。

TEA算法每一次可以操作64bit(8byte)，采用128bit(16byte)作为key，算法采用迭代的形式，推荐的迭代轮数是64轮，最少32轮。

标准的16轮运算TEA，如果要改成标准的32轮运算TEA，只需修改code和decode中的n为32，并将decode中的delta左移4位改成左移5位即可。

C#的实现代码：

public static class Tea  
    {  
 
        public static byte[] Encrypt(byte[] data, byte[] key)  
        {  
 
            byte[] dataBytes;  
            if (data.Length % 2 == 0)  
            {  
                datadataBytes = data;  
 
            }  
            else  
            {  
                dataBytes = new byte[data.Length + 1];  
                Array.Copy(data, 0, dataBytes, 0, data.Length);  
                dataBytes[data.Length] = 0x0;  
 
            }  
            byte[] result = new byte[dataBytes.Length * 4];  
            uint[] formattedKey = FormatKey(key);  
            uint[] tempData = new uint[2];  
            for (int i = 0; i < dataBytes.Length; i += 2)  
            {  
                tempData[0] = dataBytes[i];  
                tempData[1] = dataBytes[i + 1];  
                code(tempData, formattedKey);  
                Array.Copy(ConvertUIntToByteArray(tempData[0]), 0, result, i * 4, 4);  
                Array.Copy(ConvertUIntToByteArray(tempData[1]), 0, result, i * 4 + 4, 4);  
            }  
            return result;  
        }  
 
        public static byte[] Decrypt(byte[] data, byte[] key)  
        {  
            uint[] formattedKey = FormatKey(key);  
            int x = 0;  
            uint[] tempData = new uint[2];  
            byte[] dataBytes = new byte[data.Length / 8 * 2];  
            for (int i = 0; i < data.Length; i += 8)  
            {  
                tempData[0] = ConvertByteArrayToUInt(data, i);  
                tempData[1] = ConvertByteArrayToUInt(data, i + 4);  
                decode(tempData, formattedKey);  
                dataBytes[x++] = (byte)tempData[0];  
                dataBytes[x++] = (byte)tempData[1];  
            }  
            //修剪添加的空字符  
            if (dataBytes[dataBytes.Length - 1] == 0x0)  
            {  
                byte[] result = new byte[dataBytes.Length - 1];  
                Array.Copy(dataBytes, 0, result, 0, dataBytes.Length - 1);  
            }  
            return dataBytes;  
 
        }  
 
        static uint[] FormatKey(byte[] key)  
        {  
            if (key.Length == 0)  
                throw new ArgumentException("Key must be between 1 and 16 characters in length");  
            byte[] refineKey = new byte[16];  
            if (key.Length < 16)  
            {  
                Array.Copy(key, 0, refineKey, 0, key.Length);  
                for (int k = key.Length; k < 16; k++)  
                {  
                    refineKey[k] = 0x20;  
                }  
            }  
            else  
            {  
                Array.Copy(key, 0, refineKey, 0, 16);  
            }  
            uint[] formattedKey = new uint[4];  
            int j = 0;  
            for (int i = 0; i < refineKey.Length; i += 4)  
                formattedKey[j++] = ConvertByteArrayToUInt(refineKey, i);  
            return formattedKey;  
        }  
        #region Tea Algorithm  
        static void code(uint[] v, uint[] k)  
        {  
            uint y = v[0];  
            uint z = v[1];  
            uint sum = 0;  
            uint delta = 0x9e3779b9;  
            uint n = 16;  
            while (n-- > 0)  
            {  
                sum += delta;  
                y += (z << 4) + k[0] ^ z + sum ^ (z >> 5) + k[1];  
                z += (y << 4) + k[2] ^ y + sum ^ (y >> 5) + k[3];  
            }  
            v[0] = y;  
            v[1] = z;  
        }  
 
        static void decode(uint[] v, uint[] k)  
        {  
            uint n = 16;  
            uint sum;  
            uint y = v[0];  
            uint z = v[1];  
            uint delta = 0x9e3779b9;  
            /*  
            * 由于进行16轮运算，所以将delta左移4位，减16次后刚好为0.  
            */  
            sum = delta << 4;  
            while (n-- > 0)  
            {  
                z -= (y << 4) + k[2] ^ y + sum ^ (y >> 5) + k[3];  
                y -= (z << 4) + k[0] ^ z + sum ^ (z >> 5) + k[1];  
                sum -= delta;  
            }  
            v[0] = y;  
            v[1] = z;  
        }  
        #endregion  
 
        private static byte[] ConvertUIntToByteArray(uint v)  
        {  
            byte[] result = new byte[4];  
            result[0] = (byte)(v & 0xFF);  
            result[1] = (byte)((v >> 8) & 0xFF);  
            result[2] = (byte)((v >> 16) & 0xFF);  
            result[3] = (byte)((v >> 24) & 0xFF);  
            return result;  
        }  
 
        private static uint ConvertByteArrayToUInt(byte[] v, int offset)  
        {  
            if (offset + 4 > v.Length) return 0;  
            uint output;  
            output = (uint)v[offset];  
            output |= (uint)(v[offset + 1] << 8);  
            output |= (uint)(v[offset + 2] << 16);  
            output |= (uint)(v[offset + 3] << 24);  
            return output;  
        }  
    }

XTEA 跟 TEA 使用了相同的简单运算，但它采用了截然不同的顺序，为了阻止密钥表***，四个子密钥（在加密过程中，原 128 位的密钥被拆分为 4 个 32 位的子密钥）采用了一种不太正规的方式进行混合，但速度更慢了。在跟描述 XTEA 算法的同一份报告中，还介绍了另外一种被称为 Block TEA 算法的变种，它可以对 32 位大小任意倍数的变量块进行操作。该算法将 XTEA 轮循函数依次应用于块中的每个字，并且将它附加于它的邻字。该操作重复多少轮依赖于块的大小，但至少需要 6 轮。该方法的优势在于它无需操作模式（CBC，OFB，CFB 等），密钥可直接用于信息。对于长的信息它可能比 XTEA 更有效率。在 1998 年，Markku-Juhani Saarinen 给出了一个可有效*** Block TEA 算法的代码，但之后很快 David J. Wheeler 和 Roger M. Needham 就给出了 Block TEA 算法的修订版，这个算法被称为 XXTEA。XXTEA 使用跟 Block TEA 相似的结构，但在处理块中每个字时利用了相邻字。它利用一个更复杂的 MX 函数代替了 XTEA 轮循函数，MX 使用 2 个输入量。

如果加密字符串长度不是 4 的整数倍，则这些实现的在加密后无法真正还原，还原以后的字符串实际上与原字符串不相等，而是后面多了一些 \0 的字符，或者少了一些 \0 的字符。原因在于 XXTEA 算法只定义了如何对 32 位的信息块数组（实际上是 32 位无符号整数数组）进行加密，而并没有定义如何来将字符串编码为这种数组。而现有的实现中在将字符串编码为整数数组时，都丢失了字符串长度信息，因此还原出现了问题。

C#的实现代码

using System;  
 
class XXTEA  
{  
    public static Byte[] Encrypt(Byte[] Data, Byte[] Key)  
    {  
        if (Data.Length == 0)  
        {  
            return Data;  
        }  
        return ToByteArray(Encrypt(ToUInt32Array(Data, true), ToUInt32Array(Key, false)), false);  
    }  
    public static Byte[] Decrypt(Byte[] Data, Byte[] Key)  
    {  
        if (Data.Length == 0)  
        {  
            return Data;  
        }  
        return ToByteArray(Decrypt(ToUInt32Array(Data, false), ToUInt32Array(Key, false)), true);  
    }  
 
    public static UInt32[] Encrypt(UInt32[] v, UInt32[] k)  
    {  
        Int32 n = v.Length - 1;  
        if (n < 1)  
        {  
            return v;  
        }  
        if (k.Length < 4)  
        {  
            UInt32[] Key = new UInt32[4];  
            k.CopyTo(Key, 0);  
            k = Key;  
        }  
        UInt32 z = v[n], y = v[0], delta = 0x9E3779B9, sum = 0, e;  
        Int32 p, q = 6 + 52 / (n + 1);  
        while (q-- > 0)  
        {  
            sum = unchecked(sum + delta);  
            e = sum >> 2 & 3;  
            for (p = 0; p < n; p++)  
            {  
                y = v[p + 1];  
                z = unchecked(v[p] += (z >> 5 ^ y << 2) + (y >> 3 ^ z << 4) ^ (sum ^ y) + (k[p & 3 ^ e] ^ z));  
            }  
            y = v[0];  
            z = unchecked(v[n] += (z >> 5 ^ y << 2) + (y >> 3 ^ z << 4) ^ (sum ^ y) + (k[p & 3 ^ e] ^ z));  
        }  
        return v;  
    }  
    public static UInt32[] Decrypt(UInt32[] v, UInt32[] k)  
    {  
        Int32 n = v.Length - 1;  
        if (n < 1)  
        {  
            return v;  
        }  
        if (k.Length < 4)  
        {  
            UInt32[] Key = new UInt32[4];  
            k.CopyTo(Key, 0);  
            k = Key;  
        }  
        UInt32 z = v[n], y = v[0], delta = 0x9E3779B9, sum, e;  
        Int32 p, q = 6 + 52 / (n + 1);  
        sum = unchecked((UInt32)(q * delta));  
        while (sum != 0)  
        {  
            e = sum >> 2 & 3;  
            for (p = n; p > 0; p--)  
            {  
                z = v[p - 1];  
                y = unchecked(v[p] -= (z >> 5 ^ y << 2) + (y >> 3 ^ z << 4) ^ (sum ^ y) + (k[p & 3 ^ e] ^ z));  
            }  
            z = v[n];  
            y = unchecked(v[0] -= (z >> 5 ^ y << 2) + (y >> 3 ^ z << 4) ^ (sum ^ y) + (k[p & 3 ^ e] ^ z));  
            sum = unchecked(sum - delta);  
        }  
        return v;  
    }  
    private static UInt32[] ToUInt32Array(Byte[] Data, Boolean IncludeLength)  
    {  
        Int32 n = (((Data.Length & 3) == 0) ? (Data.Length >> 2) : ((Data.Length >> 2) + 1));  
        UInt32[] Result;  
        if (IncludeLength)  
        {  
            Result = new UInt32[n + 1];  
            Result[n] = (UInt32)Data.Length;  
        }  
        else  
        {  
            Result = new UInt32[n];  
        }  
        n = Data.Length;  
        for (Int32 i = 0; i < n; i++)  
        {  
            Result[i >> 2] |= (UInt32)Data[i] << ((i & 3) << 3);  
        }  
        return Result;  
    }  
    private static Byte[] ToByteArray(UInt32[] Data, Boolean IncludeLength)  
    {  
        Int32 n;  
        if (IncludeLength)  
        {  
            n = (Int32)Data[Data.Length - 1];  
        }  
        else  
        {  
            n = Data.Length << 2;  
        }  
        Byte[] Result = new Byte[n];  
        for (Int32 i = 0; i < n; i++)  
        {  
            Result[i] = (Byte)(Data[i >> 2] >> ((i & 3) << 3));  
        }  
        return Result;  
    }  
}

Tea加密算法和XxTea加密算法

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