一丶简介
BlowFish 是一个对称加密的加密算法。由 Bruce Schneier，1993年设计的。是一个免费自由使用的加密算法。
了解的必要知识
- BlowFish是一个对称区块加密算法。每次加密数据为 64位 （2个int)类型数据大小。八个字节
- BlowFish 密钥采用32-448位
- BlowFish是由一个16轮循环的Feistel结构进行加密的。
二丶原理与代码介绍
2.1 BlowFish算法流程
BlowFish 算法流程是由两部分组成 分别是密钥扩展以及数据加密
在数据加密中是一个16轮循环的Feistel网络。每一轮由一个密钥相关置换和一个密钥与数据相关的替换组成的。
先说一下BlowFish需要的子密钥。
BlowFish在加密或者初始化的过程中会使用两个盒来进行加密
分别是PBOX 以及SBOX
PBOX是 由18个32位的字的子密钥组成的。这些密钥可以通过预计算产生的。
其中PBOX记录的就是Π后面的小数位。转换成16进制存储到pBox中
例如：
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1 2 3 4 |
p[0] = 0x243F6A88 P[1] = 0X85A308D3 P[2] = 0X13198A2E P[3] = 0X03707344 |
关于数学中Π大家应该知道。这里不再累赘。关于如何计算Π后面的小数位以及将小数位转为十六进制存储到p[0]---p[18] 这里也不再赘述。 因为这些都是预计算好的。我们直接使用就可以。
关于小数转为16进制可以使用网站进行转换（不确保以后还能否使用）：小数转换16进制
例子如下：
Sbox跟PBOX一样也是Π的小数位组成。sBox是4组8*32的数组。 如下
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1 |
s_box[4][256] = {{},{},{},{}}; |
pBox与Sbox就是BlowFish算法进行加密的核心置换表
2.2 子密钥生成
如果想进行数据加密。那么我们就要进行子密钥生成。也就是要将我们的Key 与 pbox进行 异或
那么说一下流程吧
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1.按顺序使用Π的小数部分初始化pbox与sbox （预先计算好了可以直接使用）
-
2.使用key参数得出key_pbox， 具体流程为 将pbox中的数据 与 key进行 ^ 然后设置到key_pbox中，轮询key每次取出四个字节来与pbox[i]进行 异或
如果Key不足的情况下 key从零开始补齐4个字节 继续与pbox[i]进行异或
例子：
123456伪代码：设key为 “IBinary" key长度为：7循环18次key_pbox[0] = pbox[0] ^ (DWORD)"IBin" 使用4个字节存储key_pbox[1] = pbox[1] ^ (DWORD)"aryI" 重新使用key的第一个字节补齐key_pbox[17] = pbox[17] ^(DWORD)"xxxx" 一直到18轮 -
3.使用当前的key_pbox数组 与s_box数组对一个64位0数据进行加密。 也就是 两个int 类型数据 8个字节 输出的结果 重新修改到key_pbox 与 key_sbox中。
key_sbox就是当前的 使用s_box对64位数据进行加密，产生的输出修改的key_sbox中。
12345678行循环4 列循环256加密(data1,data2)key_sbox[0] = data1key_sbox[1] = data2第二轮循环加密（data1,data2)key_sbox[2] = data1key_sbox[2] = data2; -
一直循环直到修改完key_pbox与key_sbox为止
示例代码如下：
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#define N 16 //定义初始化需要用到的加密结构 typedef struct _BLOWFISH_CTX { //定义初始化的pbox 以及 sbox 在程序中进行初始化 unsigned int pbox[N + 2]; //总共18 unsigned int sbox[4][256]; }BLOWFISH_CTX,*PBLOWFISH_CTX; bool BlowFishInit(BLOWFISH_CTX* blowCtx, unsigned char * key, unsigned int keylen) { //第一步初始化Sbox的值 sbox是预先生成的。在全局区是 ORIG_S 数组 for (int Row = 0; Row < 4; Row++) { for (int Col = 0; Col < 256; Col++) { blowCtx->sbox[Row][Col] = ORIG_S[Row][Col]; } } /* 第二步 子密钥生成设置key_Pbox 设置pbox 1.循环18轮 2.每轮都设置ctx.pbox值与data ^ 3.data = *(DWORD*)key[0] key[1]..... data其实就是4字节转换的Ascii值 设key = "IBinary" data = "IBin" 类似于 memcpy(&data,"IBin",4); 当key不足的时候重新从头开始获取并且补足 */ int KeyIndex = 0; for (int index = 0; index < N + 2; index++) { unsigned int data = 0; //填充data 将key的字符设置到data当中 for (int k = 0; k < 4; k++) { //通过移位设置每个字符 data = (data << 8) | key[KeyIndex]; KeyIndex++; //如果超出了key长度 那么key要从开始 if (KeyIndex >= keylen) KeyIndex = 0; } //这是时设置key_pbox的值。 原理就是 pbox ^ data data就是我们的第二层循环。 就是获取四字节的key值 如果你的key只有四个字节。那么 //都可以不使用第二层循环了 blowCtx->pbox[index] = ORIG_P[index] ^ data; } /* 第三步 设置key_pbox 与 key_sbox的值 1.对一个64位0 进行加密。加密结果的输出设置到pbox[i]与pbox[i+1]中 2.初始化key_pbox之后继续重用Data1与Data2 继续进行加密设置到s_box中 */ unsigned int Data1 = 0; unsigned int Data2 = 0; for (int i = 0; i < N + 2; i+=2) { BlowFish_Encry(blowCtx, &Data1, &Data2); blowCtx->pbox[i] = Data1; blowCtx->pbox[i+1] = Data2; } //初始化Sbox for (int i = 0; i < 4; i++) { for (int j = 0; j < 256; j += 2) { BlowFish_Encry(blowCtx, &Data1, &Data2); blowCtx->sbox[i][j] = Data1; blowCtx->sbox[i][j + 1] = Data2; } } return true; } |
2.3 加密原理
BlowFish加密很简单。就是 将一个数 拆分为 左右各32位数值 （也就是 8个字节 左边四个字节，右边四个字节） 然后 左边进行 ^ key_pbox 当作下一次循环的右边。 右边 则是 右边 ^ F(左边) 下次当作循环的左边。
循环16轮。
说着挺难。看下图：
简单的加密流程图：
在这里我们只看加密
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原理就三行重要代码 循环16次 R = L ^ Key_pbox[i] L = F(R) ^ L swap(R,L); 最后一轮单独设置介绍完F之后继续说 |
这里不得不介绍下F函数。 F函数的输入是一个32位数 也就是四个字节类型数据。 然后内部就是将32位数进行拆分成abcd
例如：
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data = 0x12345678 拆分后 a = 0x12 b = 0x34 c = 0x56 d = 0x78 |
拆分后的a b c d然后去Key_sbox中查表 然后取出对应的值。
公式如下：
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((s1,a + s2,b) ^ s3,c) + s4,d 对应数组操作就是 value = key_sbox[0][a] + Key_sbox[1][b] value = value ^ key_sbox[2][c] Value = value + Key_sbox[3][d] 公式是从s1a s2b s3c s4d开始的。 数组下标是从0开始的。所以s1对应的就是 Key_sbox[0] 后面依次类推。 最后返回Value 公式简单记一下就是 return (((a + b) ^ c) + d) |
F函数明白了那么回头继续看一下加密操作。
图如下：
可以看到 首先计算 L ^Kr(Key_pbox[i]) 然后结果直接作为下一轮的右侧
右侧则是 经过论函数F 进行设置的。 最后变为下一轮循环的左侧。
R = R ^F（L）
最后一轮的话需要单独设置
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1 2 |
R = R ^ Key_pbox[16] //数组中下标16就代表17 L = L ^ Key_pbox[17] //同上这里是代表下标18 |
其实加密函数就是循环16次。 然后每一轮都对 左侧32位 右侧32位进行操作。 操作之后直接作为下一轮循环的左右侧
核心代码如下：
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void BlowFish_Encry(PBLOWFISH_CTX blowCtx, unsigned int* left, unsigned int* right) { unsigned long Xl; unsigned long Xr; unsigned long temp; short i; //第一步 获取左右侧的数据 每组32位 Xl = *left; Xr = *right; //第二部进行16轮的加密 最后交换xl xr 作为下一轮循环的左右侧 for (i = 0; i < N; ++i) { Xl = Xl ^ blowCtx->pbox[i]; Xr = F(blowCtx, Xl) ^ Xr; temp = Xl; Xl = Xr; //交换左右的值。 l = R r= l 继续下一轮循环。总共16轮 Xr = temp; } //第三步 进行16轮循环之后我们需要特殊操作。 最后直接设置xr 与xr即可。 temp = Xl; Xl = Xr; //16轮完毕之后交换变量 Xr = temp; Xr = Xr ^ blowCtx->pbox[N]; //最后进行一次疑或 Xl = Xl ^ blowCtx->pbox[N + 1]; *left = Xl; *right = Xr; } |
至此我们的blowFish加密已经完成
2.4 BlowFish的解密
解密与加密是相反操作。 加密的时候是从0开始遍历16轮 然后依次对xl xr进行操作。
解密的时候做事从16开始然后迭代16轮 对左右两侧做操作
最后16轮循环完毕之后还是进行一次^
代码如下：
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void BlowFish_Decrypt(PBLOWFISH_CTX blowCtx, unsigned int* left, unsigned int* right) { unsigned int Xl = *left; unsigned int Xr = *right; //倒着循环 for (int i = N + 1; i > 1; --i) { Xl = Xl ^ blowCtx->pbox[i]; Xr = Xr ^ F(blowCtx, Xl); //继续左右交换 unsigned int temp = Xl; Xl = Xr; Xr = temp; } //最后一轮继续交换 unsigned int temp = Xl; Xl = Xr; Xr = temp; //返还原 Xr = Xr ^ blowCtx->pbox[1]; Xl = Xl ^ blowCtx->pbox[0]; //设置变量返回 *left = Xl; *right = Xr; } |
至此解密完成
2.5.完成代码
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#pragma once /* 使用BlowFish进行加解密 */ //定义全局旧的pbox sbox 都是根据小数来的。 #define N 16 static const unsigned long ORIG_P[16 + 2] = { 0x243F6A88L, 0x85A308D3L, 0x13198A2EL, 0x03707344L, 0xA4093822L, 0x299F31D0L, 0x082EFA98L, 0xEC4E6C89L, 0x452821E6L, 0x38D01377L, 0xBE5466CFL, 0x34E90C6CL, 0xC0AC29B7L, 0xC97C50DDL, 0x3F84D5B5L, 0xB5470917L, 0x9216D5D9L, 0x8979FB1BL }; static const unsigned long ORIG_S[4][256] = { { 0xD1310BA6L, 0x98DFB5ACL, 0x2FFD72DBL, 0xD01ADFB7L, 0xB8E1AFEDL, 0x6A267E96L, 0xBA7C9045L, 0xF12C7F99L, 0x24A19947L, 0xB3916CF7L, 0x0801F2E2L, 0x858EFC16L, 0x636920D8L, 0x71574E69L, 0xA458FEA3L, 0xF4933D7EL, 0x0D95748FL, 0x728EB658L, 0x718BCD58L, 0x82154AEEL, 0x7B54A41DL, 0xC25A59B5L, 0x9C30D539L, 0x2AF26013L, 0xC5D1B023L, 0x286085F0L, 0xCA417918L, 0xB8DB38EFL, 0x8E79DCB0L, 0x603A180EL, 0x6C9E0E8BL, 0xB01E8A3EL, 0xD71577C1L, 0xBD314B27L, 0x78AF2FDAL, 0x55605C60L, 0xE65525F3L, 0xAA55AB94L, 0x57489862L, 0x63E81440L, 0x55CA396AL, 0x2AAB10B6L, 0xB4CC5C34L, 0x1141E8CEL, 0xA15486AFL, 0x7C72E993L, 0xB3EE1411L, 0x636FBC2AL, 0x2BA9C55DL, 0x741831F6L, 0xCE5C3E16L, 0x9B87931EL, 0xAFD6BA33L, 0x6C24CF5CL, 0x7A325381L, 0x28958677L, 0x3B8F4898L, 0x6B4BB9AFL, 0xC4BFE81BL, 0x66282193L, 0x61D809CCL, 0xFB21A991L, 0x487CAC60L, 0x5DEC8032L, 0xEF845D5DL, 0xE98575B1L, 0xDC262302L, 0xEB651B88L, 0x23893E81L, 0xD396ACC5L, 0x0F6D6FF3L, 0x83F44239L, 0x2E0B4482L, 0xA4842004L, 0x69C8F04AL, 0x9E1F9B5EL, 0x21C66842L, 0xF6E96C9AL, 0x670C9C61L, 0xABD388F0L, 0x6A51A0D2L, 0xD8542F68L, 0x960FA728L, 0xAB5133A3L, 0x6EEF0B6CL, 0x137A3BE4L, 0xBA3BF050L, 0x7EFB2A98L, 0xA1F1651DL, 0x39AF0176L, 0x66CA593EL, 0x82430E88L, 0x8CEE8619L, 0x456F9FB4L, 0x7D84A5C3L, 0x3B8B5EBEL, 0xE06F75D8L, 0x85C12073L, 0x401A449FL, 0x56C16AA6L, 0x4ED3AA62L, 0x363F7706L, 0x1BFEDF72L, 0x429B023DL, 0x37D0D724L, 0xD00A1248L, 0xDB0FEAD3L, 0x49F1C09BL, 0x075372C9L, 0x80991B7BL, 0x25D479D8L, 0xF6E8DEF7L, 0xE3FE501AL, 0xB6794C3BL, 0x976CE0BDL, 0x04C006BAL, 0xC1A94FB6L, 0x409F60C4L, 0x5E5C9EC2L, 0x196A2463L, 0x68FB6FAFL, 0x3E6C53B5L, 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2.初始化sbox 将全局的sbox的内容复制到CTX中的sbox中 3.初始化pbox pbox的初始化方法如下 1.迭代18论。然后每一轮都设置CTX的pbox 2.CTX.pbox需要使用全局pbox ^ data 3.data是一个四字节整数。其中存储的就是key的四个字节。 key = "12345678abc" 每一轮中 data = "1234" data = "5678" data = "abc1" //注意这里当超出keylen的时候。 data获取的key要从0开始 。。。。 */ bool BlowFishInit(BLOWFISH_CTX* blowCtx, unsigned char*key, unsigned int keylen); /* F函数 F函数是将一个32位数分别进行拆分。 拆分为四组。 每一组都作为sbox的索引值 然后进行下列运算 (（s1[a] + s2[b]) ^ s3[c]) + s4[d] 在编程中sbox是数组是从零开始。 所以s1 对应s[0] s2对应s[1] 在编程中总结下公式： temap = s[0][a] + s[1][b] teamp = temp ^ s[2][c]' temp = temp + s[3][d] 简单的记住就是 ((a+b) ^ c)+d; 当然每个都对应下标为 0 1 2 3 s[0][a] s[1][b] s[2][c] s[3][d] 最后返回结果值 return temp */ static unsigned long F(BLOWFISH_CTX* ctx, unsigned long x); //signed int F(PBLOWFISH_CTX blowCtx,unsigned int Data); /* 加密函数： 首次用在初始化中是对一个64位0进行加密。 一次加密八个字节 核心思想为 加密左边与右边数据 左边数据直接 ^ PBOX 右边数据 = 右边数据 ^ f(左边数据） 然后进行交换。 以上是16轮的交换 剩下一轮则是 左边 = 左边^PBOX[N+1] 右边 = 右边^pbox[N] 最后设置相关数值 */ void BlowFish_Encry(PBLOWFISH_CTX blowCtx, unsigned int* left, unsigned int* right); /* 跟加密一样。只不过结果相反步骤如下： 首先遍历从最后一轮开始逐次递减 最后一轮数据 右边= 右边^PBOX[1] 左边数据 = 左边数据 ^pbox[0] */ void BlowFish_Decrypt(PBLOWFISH_CTX blowCtx, unsigned int* left, unsigned int* right); |
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#include "BlowFish.h" #include <string> using namespace std; bool BlowFishInit(BLOWFISH_CTX* blowCtx, unsigned char * key, unsigned int keylen) { //设置传入的CTX中的SBOX值 for (int Row = 0; Row < 4; Row++) { for (int Col = 0; Col < 256; Col++) { blowCtx->sbox[Row][Col] = ORIG_S[Row][Col]; } } /* 设置pbox 1.循环18轮 2.每轮都设置ctx.pbox值与data ^ 3.data = *(DWORD*)key[0] key[1]..... */ int KeyIndex = 0; for (int index = 0; index < N + 2; index++) { unsigned int data = 0; //填充data 将key的字符设置到data当中 for (int k = 0; k < 4; k++) { //通过移位设置每个字符 data = (data << 8) | key[KeyIndex]; KeyIndex++; //如果超出了key长度 那么key要从开始 if (KeyIndex >= keylen) KeyIndex = 0; } //否则不满足 blowCtx->pbox[index] = ORIG_P[index] ^ data; } //对一个64位0 进行加密。加密结果的输出设置到pbox[i]与pbox[i+1]中 unsigned int Data1 = 0; unsigned int Data2 = 0; for (int i = 0; i < N + 2; i+=2) { BlowFish_Encry(blowCtx, &Data1, &Data2); blowCtx->pbox[i] = Data1; blowCtx->pbox[i+1] = Data2; } //初始化Sbox for (int i = 0; i < 4; i++) { for (int j = 0; j < 256; j += 2) { BlowFish_Encry(blowCtx, &Data1, &Data2); blowCtx->sbox[i][j] = Data1; blowCtx->sbox[i][j + 1] = Data2; } } return true; } //unsigned int F(PBLOWFISH_CTX blowCtx, unsigned int Data) //{ // // unsigned int a, b, c, d; // /* // 利用位运算 取出下标值 // */ // // a = (Data >> 24) & 0xFF; // b = (Data >> 16) & 0xFF; // c = (Data >> 8) & 0xFf; // d = Data & 0xFF; // // // int TempValue = blowCtx->sbox[0][a] + blowCtx->sbox[1][b]; // TempValue = TempValue ^ blowCtx->sbox[2][c]; // TempValue = TempValue + blowCtx->sbox[3][d]; // //公式 ((a+b)^c)+d // return TempValue; //} static unsigned long F(BLOWFISH_CTX* ctx, unsigned long x) { unsigned short a, b, c, d; unsigned long y; /* d = (unsigned short)(x & 0xFF); x >>= 8; c = (unsigned short)(x & 0xFF); x >>= 8; b = (unsigned short)(x & 0xFF); x >>= 8; a = (unsigned short)(x & 0xFF); //都可以使用 */ a = (x >> 24) & 0xFF; b = (x >> 16) & 0xFF; c = (x >> 8) & 0xFf; d = x & 0xFF; y = ctx->sbox[0][a] + ctx->sbox[1][b]; y = y ^ ctx->sbox[2][c]; y = y + ctx->sbox[3][d]; return y; } void BlowFish_Encry(PBLOWFISH_CTX blowCtx, unsigned int* left, unsigned int* right) { unsigned long Xl; unsigned long Xr; unsigned long temp; short i; //加密部分首先将其分为left跟right两组。 每一组分别32位 Xl = *left; Xr = *right; for (i = 0; i < N; ++i) { Xl = Xl ^ blowCtx->pbox[i]; Xr = F(blowCtx, Xl) ^ Xr; temp = Xl; Xl = Xr; //交换左右的值。 l = R r= l 继续下一轮循环。总共16轮 Xr = temp; } temp = Xl; Xl = Xr; //16轮完毕之后交换变量 Xr = temp; Xr = Xr ^ blowCtx->pbox[N]; //最后进行一次疑或 Xl = Xl ^ blowCtx->pbox[N + 1]; *left = Xl; *right = Xr; } void BlowFish_Decrypt(PBLOWFISH_CTX blowCtx, unsigned int* left, unsigned int* right) { unsigned int Xl = *left; unsigned int Xr = *right; //倒着循环 for (int i = N + 1; i > 1; --i) { Xl = Xl ^ blowCtx->pbox[i]; Xr = Xr ^ F(blowCtx, Xl); //继续左右交换 unsigned int temp = Xl; Xl = Xr; Xr = temp; } //最后一轮继续交换 unsigned int temp = Xl; Xl = Xr; Xr = temp; //返还原 Xr = Xr ^ blowCtx->pbox[1]; Xl = Xl ^ blowCtx->pbox[0]; //设置变量返回 *left = Xl; *right = Xr; } int main() { unsigned int L = 1, R = 2; BLOWFISH_CTX ctx; BlowFishInit(&ctx,(unsigned char*)"IBinary",strlen("IBinary")); BlowFish_Encry(&ctx, &L, &R); BlowFish_Decrypt(&ctx, &L, &R); } |
经过测试加解密输出结果是对的。