利用TEA算法进行数据加密

来源：互联网发布：会计理解知乎编辑：程序博客网时间：2024/06/11 18:22

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利用TEA算法进行数据加密

Published on 2012 年 2 月 14 日, by xiaofeng in iOS技术.

TEA（Tiny Encryption Algorithm）是一种小型的对称加密解密算法，最初是由剑桥计算机实验室的 David Wheeler 和 Roger Needham 在 1994 年设计。采用128位密钥，以8字节（64位）对数据分块进行加密 / 解密。TEA特点是速度快、效率高，实现也非常简单。
TEA出现后针对它的攻击也不断出现，在被发现存在缺陷后，TEA也发展出几个版本，分别是XTEA、Block TEA和XXTEA。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，为了阻止密钥表攻击，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。Block TEA 是XTEA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 给出了一个可有效攻击 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。
XXTEA 算法很安全，而且非常快速，非常适合应用于 Web 及嵌入式系统开发中。但名气不大，采用的人比较少。我们在开发 iOS 系统程序时，由于大量的设定数据都是采用明文格式进行保存，容易被人分析修改。如现在常见的 iOS 非越狱机器上的内购应用破解，游戏数值修改等等。所以我们考虑利用XXTEA来对这些明文数据进行加密，来提高安全性。
英文 Wiki 上面提供了 XXTEA 的 C 语言实现，代码非常简单。

Source code

#define MX (z&gt;&gt;5^y&lt;&lt;2) + (y&gt;&gt;3^z&lt;&lt;4)^(sum^y) + (k[p&amp;3^e]^z);   long btea(long* v, long n, long* k) {    unsigned long z=v[n-1], y=v[0], sum=0, e, DELTA=0x9e3779b9;    long p, q ;    if (n &gt; 1) {          /* Coding Part */      q = 6 + 52/n;      while (q-- &gt; 0) {        sum += DELTA;        e = (sum &gt;&gt; 2) &amp; 3;        for (p=0; p&lt;n-1; p++) y = v[p+1], z = v[p] += MX;        y = v[0];        z = v[n-1] += MX;      }      return 0 ;    } else if (n &lt; -1) {  /* Decoding Part */      n = -n;      q = 6 + 52/n;      sum = q*DELTA ;      while (sum != 0) {        e = (sum &gt;&gt; 2) &amp; 3;        for (p=n-1; p&gt;0; p--) z = v[p-1], y = v[p] -= MX;        z = v[n-1];        y = v[0] -= MX;        sum -= DELTA;      }      return 0;    }    return 1;  }

函数把输入的数据当成一个整型数组 long* v ，其长度为 long n，加密采用的密钥也由数组传入long* k。由于要求传入的数据必须是整型对齐的，而我们平时应用中的数据长度不定。而且加密解密都在一个函数内进行操作，以长度 n 的值为正或负来进行区分也容易忽略，所以对它进行一下封装。作成单独的加密和解密函数

Source code

size_t XXTEAEncode(const unsigned char * pInputBuffer,                                       unsigned char * pOutputBuffer,                                       size_t nLength,                                       const_uint_ptr pUserDefineKey){    size_t nResult = 0;    if (pInputBuffer &amp;&amp; pOutputBuffer &amp;&amp; nLength &gt; 0)    {        nResult = nLength / XXTEA_ALIGNMENT_BYTES +                    (nLength % XXTEA_ALIGNMENT_BYTES ? 1 : 0);        memset(pOutputBuffer, 0, nResult * XXTEA_ALIGNMENT_BYTES);        memcpy(pOutputBuffer, pInputBuffer, nLength);        btea((uint32_t *)pOutputBuffer, nResult * 2, (uint32_t *)pUserDefineKey);        nResult *= XXTEA_ALIGNMENT_BYTES;    }    return nResult;} bool XXTEADecode(const unsigned char * pInputBuffer,                                     unsigned char * pOutputBuffer,                                     size_t nLength,                                     const_uint_ptr pUserDefineKey){    if(nLength %         return false;     bool result = false;    if(pInputBuffer &amp;&amp; pOutputBuffer &amp;&amp; nLength &gt; 0)    {        int nSize = (nLength / XXTEA_ALIGNMENT_BYTES) * 2;        memset(pOutputBuffer, 0, nLength);        memcpy(pOutputBuffer, pInputBuffer, nLength);        btea((uint32_t *)pOutputBuffer, -nSize, (uint32_t *)pUserDefineKey);        result = true;    }    return result;}

XXTEAEncode为加密函数，XXTEADecode为解密函数，他们的输入参数相同，源数据指针pInputBuffer，输出缓冲区指针pOutputBuffer，源数据长度nLength，和密钥数组pUserDefineKey。这里输出缓冲区的指针需要由调用者预先分配好，但是究竟需要多少内存呢？解密函数比较容易解决，因为解密后的数据肯定不会超过源数据长度，但是加密的时候由于需要将数据设置为整型对齐，数据可能长于输入数据长度。我们模仿 Windows API 的做法，修改一下加密函数，在输入参数中如果输出缓冲区指针为空，返回需要的buffer长度：

Source code

size_t XXTEAEncode(const unsigned char * pInputBuffer,                                       unsigned char * pOutputBuffer,                                       size_t nLength,                                       const_uint_ptr pUserDefineKey){    size_t nResult = 0;    if (pInputBuffer &amp;&amp; pOutputBuffer &amp;&amp; nLength &gt; 0)    {        nResult = nLength / XXTEA_ALIGNMENT_BYTES +                    (nLength % XXTEA_ALIGNMENT_BYTES ? 1 : 0);        memset(pOutputBuffer, 0, nResult * XXTEA_ALIGNMENT_BYTES);        memcpy(pOutputBuffer, pInputBuffer, nLength);        btea((uint32_t *)pOutputBuffer, nResult * 2, (uint32_t *)pUserDefineKey);        nResult *= XXTEA_ALIGNMENT_BYTES;    }    else if(nLength &gt; 0)        nResult = ((nLength / XXTEA_ALIGNMENT_BYTES) +                   (nLength % XXTEA_ALIGNMENT_BYTES ? 1 : 0)) * XXTEA_ALIGNMENT_BYTES;     return nResult;}

现在我们就可以通过加密函数来取得需要的 buffer 长度并且分配好内存，然后进行加密处理了。
来测试一下。首先声明一个字符串 NSString stringTest = @”Hello XXTEA!”; 写下这个字符串之后又想到一个问题。iOS系统中的字符是采用UTF-16编码格式，也就是说所有的字符都是双字节，和平常 C 语言下的 ANSI 字符不同，虽然一样可以取得缓冲区指针进行加密，但是在iOS下我们需要处理的各种设定数据基本都是英文字符的文本，对于一个设置文件来说比ANSI字符多了一倍的空间，我们还是转换一下让英文字符恢复到8位编码。查资料可以发现iOS系统不支持ANSI格式的双字节字符编码，我们选用UTF-8来兼容单、双字节字符，同时节省空间。

Source code

NSString * testString = @"Hello XXTEA!";     int key[4] = {0x12345678, 0x734a67fc, 0xe367a642, 0x78432562};     int nSize = XXTEAEncode((const unsigned char *)[testString cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding], NULL, testString.length, key);     char * outBuffer = (char *)malloc(nSize);    XXTEAEncode((const unsigned char *)[testString cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding], (unsigned char *)outBuffer, ,nSize, key);     char *formatBuffer = (char *)malloc(128);    memset(formatBuffer, 0, 128);    HexToString((const char *)outBuffer, nSize, formatBuffer);    printf("%s\n\n", formatBuffer);    free(formatBuffer);    free(outBuffer);

运行上面的代码得到输出结果：2F49EF03665D18EF294E29A46AE17F7E 。我们再对这串字符进行下解密处理来验证是否可以还原。

Source code

char * testData = "2F49EF03665D18EF294E29A46AE17F7E";    char * hexData = (char *)malloc(strlen(testData));    char * decryptBuffer = (char *)malloc(strlen(testData));    memset(hexData, 0, strlen(testData));    memset(decryptBuffer, 0, strlen(testData));    int nSize = StringToHex((const char *)testData, hexData);    XXTEADecode((const unsigned char *)hexData, (unsigned char *)decryptBuffer, nSize, key);    NSString * decodeString = [NSString stringWithCString:decryptBuffer encoding:NSUTF8StringEncoding];    NSLog(@"%@", decodeString);    free(decryptBuffer);    free(hexData);

在Xcode的Debug窗口中看到输出信息：test[4559:f803] Hello XXTEA! 。解密完成。现在我们可以用XXTEA来处理明文文件，不会再被轻易篡改。