C++文件加密篇（基于char数组进行可逆加密）

严格意义上的加密算法有对称加密算法和非对称加密算法，对称加密算法是指加密与解密的key相同，而非对称加密算法是指加密（使用公钥，所有人都可以获取）与解密（使用私钥，只有指定方有私钥）的key不相同。这种严格的加密算法依赖于矩阵乘法进行数据加密，运算量较大，通常适用于短信息的加密，而针对于长信息（较大的文件）则不适用（具体可以参考压缩文件的加密）。

1、现有通行的加密方法

加密的本质就是对信息进行混淆，使拿到数据的人无法有效的识别出原始信息；而解密则是将混淆后的信息进行还原。因此，可以基于对信息的混淆进行数据加密。进行本工作前，博主进行粗略调查，c++实现文件加密的有以下方法：
1、基于异或操作的加密；https://blog.csdn.net/zhaxun/article/details/125027503
2、基于取反操作的加密；https://blog.csdn.net/weixin_50964512/article/details/123977481
3、基于ascall码表的加密；https://blog.csdn.net/weixin_46897073/article/details/110410141
这些加密方法的第一操作原理在于将文件以二进制的方式读取为char数组（每个char对应一个ascall值），相关c++代码如下

vector<char> read_file(string fname) {
    //读取文件
    ifstream inFile(fname, ios::in | ios::binary | ios::ate);
    long size = inFile.tellg();
    inFile.seekg(0, ios::beg);
    vector<char> buffers(size);
    inFile.read(buffers.data(), size);
    inFile.close();
    return buffers;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

以上三个方法所存在的问题

• 基于异或操作的加密 其加密与解密过程是一样的；进行异或操作的code只有8位，256个值；如果加密方式泄露，很容易通过碰撞检测进行解密；
• 基于取反操作的加密 其加密与解密过程是一样的；不存在加密的code，针对整个文件进行取反很容易被识别出来
• 基于ascall码表的加密 加密时的密码表必须为256，且不能重复（这对于使用上比较困难）；通过很容易通过频率统计分析出密码表

2、所设计的加密方法

通过对现行三个文件加密方法的思考，认为实现加密解密算法的本质就是定义一个数据混淆规则，这个规则应该有一个人为参与的code，而且这个code不能太短。在进行加密时，根据code进行相应的操作。

2.1 可用的混淆操作

考虑到基于密码表的加密限制了code的范围；使用异或操作的加密则使code的值变得更小。博主以对vector的操作为思考起点。

共得出以下基本的数据混淆操作：

• 取反操作 将数据进行取反；解密操作也是取反操作；以单个char为操作单元
• 倒序操作 将数组的顺序进行翻转；解密操作也是倒序操作；以char数组为操作单元
• 滑动操作 将数组首位相连，进行一定的转动；解密操作也是滑动操作；以char数组为操作单元；（如，滑动值为20%，则将数组前20%的数据截取下来放到最后面）
  以上三个操作的实现代码如下

//取反操作
void reverse_value(vector<char>& data) {
    for (int i = 0; i < data.size();i++) {
        data[i] = 255 - data[i];
    }
}
//倒序操作
void reverse_sort(vector<char>& data) {
    reverse(data.begin(), data.end());
}
//滑动操作
//根据start对vector进行截断, 让datain=dataout2+dataout1既实现了滑动操作
void vector_cut(vector<char>& datain, long start, vector<char>& dataout1, vector<char>& dataout2) {
    dataout1.assign(datain.begin(), datain.begin() + start);
    dataout2.assign(datain.begin() + start, datain.end());
}
//重载vector的运算符
template <typename T>
vector<T>& operator +(vector<T>& v1, vector<T>& v2)
{
    v1.insert(v1.end(), v2.begin(), v2.end());
    return v1;
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

2.2 加密方法

考虑到加密方法需要用户参与，将code设为多个数字。加密时，代码根据code中的数字对数据进行切分（用于实现滑动操作）得到切片1和切片2，对切片1进行取反操作，对切片2进行倒序操作；解密时，代码根据code中的数字对数据进行切分（用于实现滑动操作）得到切片1和切片2，对切片1进行倒序操作，对切片2进行取反操作。

由于加密和解密的基本操作都是一样，且都依赖于滑动操作。故，所实现的加密和解密方法如下。其中，datain表示输入的数据，start表示滑动的位置，encode=true表示进行加密操作，false表示进行解密操作。这里考虑到每个数据的size可能不一样，使用固定的start可能会超出数据的长度，故以百分比描述滑动的位置。当srart>=100时为无效值

void move_vector(vector<char>& datain, int start, bool encode = true) {
    vector<char> data1, data2;
    if (start >= 100) {//大于等于100不进行任何操作
        return;
    }
    start = int(start * datain.size() / 100);
    if (!encode) {
        //解码时的位置要调整
        start = datain.size() - start;
    }
    vector_cut(datain, start, data1, data2);
    if (!encode) {
        //解码时的位置要调整
        reverse_sort(data1);
        reverse_value(data2);
    }
    else {
        reverse_sort(data2);
        reverse_value(data1);
    }
    datain = data2 + data1;//交换这一段的位置
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22

2.3 多轮加密

这里的设定是基于code进行加密，多个code则对应了多次加密次数，这使得数据基本上不可能被还原（打乱顺序比较简单，从混乱的数据中恢复顺序比较困难）。

加密函数

code为加密规则，示例：“13 41 54 19 12 4 42 54”，可以为任意长度，以空格分开每一个值

void encry_data(vector<char>& data, string code) {
    vector<string> codes = split_char(code, ' ');
    for (int i = 0; i < codes.size(); i++) {
        int offset;
        convertFromString(offset, codes[i]);
        move_vector(data, offset);
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8

解密函数

与encry_data函数共用相同的code，只是倒序进行操作

void decry_data(vector<char>& data, string code) {
    vector<string> codes = split_char(code, ' ');
    for (int i = codes.size() - 1; i >= 0; i--) {
        int offset;
        convertFromString(offset, codes[i]);
        move_vector(data, offset, false);
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8

3、加密示例

3.1 加密文本

这里对二进制文件进行加密示意。二进制文件的原始内容如下

加密解密代码如下：

#include "EncryFile.hpp" 
using namespace std;
int main() {
    string fname = "C:/Users/xxx/Pictures/a.txt";
    string codes = "18 5 63 41 22";//文件的加密码
    string fencry= "C:/Users/xxx/Pictures/a_en.txt";
    string fdecry = "C:/Users/xxx/Pictures/a_de.txt";
    encry_file(fname, codes, fencry);
    decry_file(fencry, codes, fdecry);
    return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

加密后的内容如下，可以看到部分内容已经倒序，部分内容已经取反；而且出现了空行，数据的行数与原来无法对应。在不知道数据混淆规则（code）的情况下对数据进行还原是异常困难的。

3.2 加密图片

具体加密代码如下

#include "EncryFile.hpp"
using namespace std;
int main() {
    string fname = "C:/Users/xxx/Pictures/bj.bmp";
    string codes = "18 5 63 41 22";//文件的加密码
    string fencry= "C:/Users/xxx/Pictures/bj_encry.bmp";
    string fdecry = "C:/Users/xxx/Pictures/bj_decry.bmp";
    encry_file(fname, codes, fencry);
    decry_file(fencry, codes, fdecry);
    return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

最终加密解密效果如下所示，可以看到计算机已经无法有效识别bj_encry.bmp（对于特定格式的文件，进行混淆后是无法被原来的软件进行解析的的（因为出现了数据错位、数据值部分取反、数据局部顺序翻转））。这表明这种数据加密规则是可以应用到绝大部分文件中。

补充：在本博文中有4个非重要函数并未公开。各位可以下载我的（付费资源）使用完整代码，或者自行根据以下代码提示补齐函数。