TEA加密算法的C/C++实现

血刀老祖

TEA(Tiny Encryption Algorithm) 是一种简单高效的加密算法，以加密解密速度快，实现简单著称。算法真的很简单，TEA算法每一次可以操作64-bit(8-byte)，采用128-bit(16-byte)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。目前我只知道QQ一直用的是16轮TEA。没什么好说的，先给出C语言的源代码(默认是32轮)：
微型加密算法（TEA）及其相关变种（XTEA，Block TEA，XXTEA） 都是分组加密算法，它们很容易被描述，实现也很简单（典型的几行代码）。
TEA 算法最初是由剑桥计算机实验室的 David Wheeler 和 Roger Needham 在 1994 年设计的。该算法使用 128 位的密钥为 64 位的信息块进行加密，它需要进行 64 轮迭代，尽管作者认为 32 轮已经足够了。该算法使用了一个神秘常数δ作为倍数，它来源于黄金比率，以保证每一轮加密都不相同。但δ的精确值似乎并不重要，这里 TEA 把它定义为 δ=「(√5 - 1)231」（也就是程序中的 0×9E3779B9）。
之后 TEA 算法被发现存在缺陷，作为回应，设计者提出了一个 TEA 的升级版本——XTEA（有时也被称为“tean”）。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。
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，MX 使用 2 个输入量。

天云上人

1. 
   0 L  Z  g" G" J: w+ H* s( b
2. void encrypt(unsigned long *v, unsigned long *k) {
   / B3 ?9 V6 F- H
3.      unsigned long y=v[0], z=v[1], sum=0, i;         /* set up */
   0 F& o2 h0 D$ n/ v- o& `; Y, t' _2 O
4.      unsigned long delta=0x9e3779b9;                 /* a key schedule constant */
   
5.      unsigned long a=k[0], b=k[1], c=k[2], d=k[3];   /* cache key */
   
6.      for (i=0; i < 32; i++) {                        /* basic cycle start */
   # u" Y1 Q6 h# z9 y2 I8 Q
7.          sum += delta;
   
8.          y += ((z<<4) + a) ^ (z + sum) ^ ((z>>5) + b);
   
9.          z += ((y<<4) + c) ^ (y + sum) ^ ((y>>5) + d);/* end cycle */
   
10.      }
    / J. d' n! G/ f( x
11.      v[0]=y;
    
12.      v[1]=z;
    
13. }
    " \, \* _! P: v! _# m9 h- Q6 O, |
14.   
    
15. void decrypt(unsigned long *v, unsigned long *k) {
    
16.      unsigned long y=v[0], z=v[1], sum=0xC6EF3720, i; /* set up */
    2 l$ Q! f4 F* u7 d7 e
17.      unsigned long delta=0x9e3779b9;                  /* a key schedule constant */
    
18.      unsigned long a=k[0], b=k[1], c=k[2], d=k[3];    /* cache key */
    
19.      for(i=0; i<32; i++) {                            /* basic cycle start */
    8 s: b+ w  z! x/ r* ?9 B) z- t
20.          z -= ((y<<4) + c) ^ (y + sum) ^ ((y>>5) + d);
    
21.          y -= ((z<<4) + a) ^ (z + sum) ^ ((z>>5) + b);
    & g5 I  u  q' q7 X: {
22.          sum -= delta;                                /* end cycle */
    
23.      }
    
24.      v[0]=y;
    
25.      v[1]=z;
    ) @. K& x" a" H: n7 i1 d
26. }
    

复制代码

C语言写的用起来当然不方便，没关系，用C++封装以下就OK了：

天云上人

#ifndef UTIL_H
#define UTIL_H
5 ]# L8 T9 C# n! F8 @' f9 y- Y
# t  |! g! Z9 x9 ?8 z#include <string>
#include <cmath>
0 ?# \4 h3 Q9 O6 {5 ?% Q7 b: O#include <cstdlib>

2 [! I- @. [. a& d4 |  u7 ^typedef unsigned char byte;
- {& Q% H& P$ V2 @8 dtypedef unsigned long ulong;
' H- A% J8 f/ w! z6 V4 t( `0 L  l# F
7 U4 L$ U' w) e7 M. tinline double logbase(double base, double x) {
    return log(x)/log(base);
}

3 S+ Q1 G  d: }, D& z1 Q6 }) f/*
$ d! I. ]+ n: N# ~4 d" W*convert int to hex char.
  b% Z: i0 S# d*example:10 -> 'A',15 -> 'F'
! f5 F2 C  _. p; ?*/
char intToHexChar(int x);
% K/ w. D1 C1 ]( g1 p6 d' a
/*
0 S% _1 v# ]- Q& `/ H*convert hex char to int.
*example:'A' -> 10,'F' -> 15
*/
int hexCharToInt(char hex);

using std::string;
) K+ g! |- t4 z+ A# ~: d/*
*convert a byte array to hex string.
*hex string format example:"AF B0 80 7D"
*/
string bytesToHexString(const byte *in, size_t size);
+ _  t3 m. a9 q% t) H
/*
*convert a hex string to a byte array.
*hex string format example:"AF B0 80 7D"
% N2 X- d- r7 o- e" n*/
$ ?* y5 Y1 Y; g8 d8 a+ J' dsize_t hexStringToBytes(const string &str, byte *out);

#endif/*UTIL_H*/

天云上人

#include "util.h"
! ]1 x2 E5 J/ W7 R3 M/ A#include <vector>
, D/ i/ y4 R9 C, F% y4 q
using namespace std;

char intToHexChar(int x) {
    static const char HEX[16] = {
0 L2 ]& E) |% l        '0', '1', '2', '3',
        '4', '5', '6', '7',
- |& ^" K  F- L3 S. J& }        '8', '9', 'A', 'B',
        'C', 'D', 'E', 'F'
    };
    return HEX[x];
}
# g. U! P2 R/ X+ ?9 g4 o& u8 q
int hexCharToInt(char hex) {
    hex = toupper(hex);
, \' r. b' N- o    if (isdigit(hex))
0 f8 {9 N2 N1 c* c+ K        return (hex - '0');
9 v- J) K/ w% w& u$ q    if (isalpha(hex))
        return (hex - 'A' + 10);
    return 0;
8 H/ G! ^6 l' w, c; T; M- x$ E}
1 k' ~/ o! |$ O
string bytesToHexString(const byte *in, size_t size) {
    string str;
    for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
/ W. p+ ^1 ?! {        int t = in[i];
- `' K6 W4 r3 t        int a = t / 16;
        int b = t % 16;
: o, E- B% z3 V        str.append(1, intToHexChar(a));
        str.append(1, intToHexChar(b));
% k" E% y' ?* p6 }- r4 M- b: E/ l% g( A        if (i != size - 1)
! C  C% b1 U% }5 X. m& E            str.append(1, ' ');
    }
- a! y# w9 l2 u7 J' J6 A2 q" \0 X    return str;
}

0 R( P3 C% [( X! t1 K7 p; c# \  l+ Usize_t hexStringToBytes(const string &str, byte *out) {

    vector<string> vec;
    string::size_type currPos = 0, prevPos = 0;
    while ((currPos = str.find(' ', prevPos)) != string::npos) {
        string b(str.substr(prevPos, currPos - prevPos));
6 N) R  \' M% O6 s& E, Z        vec.push_back(b);
' B6 @) j2 n) o; R; r# F        prevPos = currPos + 1;
    }
    if (prevPos < str.size()) {
        string b(str.substr(prevPos));
        vec.push_back(b);
    }
: Q4 Q0 {) g- W0 M  @3 U- Q    typedef vector<string>::size_type sz_type;
- v; I( w  e4 E/ f    sz_type size = vec.size();
7 `8 I# M+ q& V: m8 Q    for (sz_type i = 0; i < size; ++i) {
, b8 G0 y+ i* r) }% [        int a = hexCharToInt(vec[i][0]);
: A' a: @  r8 |; a% s! ?        int b = hexCharToInt(vec[i][1]);
        out[i] = a * 16 + b;
    }
    return size;
7 Z6 v4 r7 G' E7 x4 [}

天云上人

#ifndef TEA_H
  g1 X( F, Y# _& p& E#define TEA_H

. O8 i/ [/ Q% J. O/ b/*
/ ]( U0 V# U4 C# a2 s# W/ z2 g7 ?, B*for htonl,htonl
2 ?5 Q5 h1 F- N1 S# R, d*do remember link "ws2_32.lib"
*/
#include <winsock2.h>
2 e% G3 l  {4 }/ e7 h& y4 g' M) y: t#include "util.h"
, C% y* a+ H% X9 X; w* s6 y
class TEA {
1 I; k" o  f2 K+ C- zpublic:
  b1 a2 x6 \* R    TEA(const byte *key, int round = 32, bool isNetByte = false);
    TEA(const TEA &rhs);
$ _9 c, g" U$ t( m5 A$ L5 R2 @5 c    TEA& operator=(const TEA &rhs);
    void encrypt(const byte *in, byte *out);
& N- N# W5 ?3 O7 a    void decrypt(const byte *in, byte *out);
private:
    void encrypt(const ulong *in, ulong *out);
    void decrypt(const ulong *in, ulong *out);
: {6 u; q8 H3 v5 }$ e/ Y    ulong ntoh(ulong netlong) { return _isNetByte ? ntohl(netlong) : netlong; }
    ulong hton(ulong hostlong) { return _isNetByte ? htonl(hostlong) : hostlong; }
private:
    int _round; //iteration round to encrypt or decrypt
    bool _isNetByte; //whether input bytes come from network
5 q$ \9 z% V7 q% W: N    byte _key[16]; //encrypt or decrypt key
};

#endif/*TEA_H*/

天云上人

1 #include "tea.h"
2 #include <cstring> //for memcpy,memset
3  
7 }4 \  e( g0 C) ?. P8 ^ 4 using namespace std;
$ H: ?8 o; v, N3 K0 Y. ]( M; m 5  
6 TEA::TEA(const byte *key, int round /*= 32*/, bool isNetByte /*= false*/)
& l+ R) a& s' t& W3 Z* R; A. T 7 :_round(round)
! B) I& N. B8 A 8 ,_isNetByte(isNetByte) {
6 p& g3 n; G" a 9     if (key != 0)
10         memcpy(_key, key, 16);
11     else
12         memset(_key, 0, 16);
13 }
14  
% l' m" s# }* x# D* d& g15 TEA::TEA(const TEA &rhs)
16 :_round(rhs._round)
17 ,_isNetByte(rhs._isNetByte) {
18     memcpy(_key, rhs._key, 16);
6 l! r. q" Q3 a9 |8 v0 A0 `9 M19 }
  K! R" E- V3 w. W3 N20  
21 TEA& TEA::operator=(const TEA &rhs) {
4 e# B/ Z# K8 I+ X2 b. J! g8 o22     if (&rhs != this) {
0 i* C6 I2 q8 N2 x' f2 |: F( m23         _round = rhs._round;
$ i8 T, {: R: s3 I  l% ~4 e24         _isNetByte = rhs._isNetByte;
* q- S& [. I8 x- B9 I; X, L25         memcpy(_key, rhs._key, 16);
26     }
) u; Y' V$ Z" b4 U" g27     return *this;
28 }
& l$ Z6 s: D/ D  a1 U" c2 d$ U29  
30 void TEA::encrypt(const byte *in, byte *out) {
8 q6 Q9 E! W" i) a* K. a/ v  l) P6 r31     encrypt((const ulong*)in, (ulong*)out);
32 }
33  
  x, X/ `* ~7 T9 r; g9 [7 B" k6 _4 a34 void TEA::decrypt(const byte *in, byte *out) {
35     decrypt((const ulong*)in, (ulong*)out);
! \0 u0 d! a; V7 l; O- R36 }
7 z, v  c% G" D9 W1 o) ?1 }6 r  b37  
+ y, d" U/ W; r) m3 E  Q38 void TEA::encrypt(const ulong *in, ulong *out) {
39  
1 x" J' s$ X' b! u4 v! ]' }40     ulong *k = (ulong*)_key;
41     register ulong y = ntoh(in[0]);
% b( S  g0 }$ t, t4 ^( m2 C( c2 K42     register ulong z = ntoh(in[1]);
8 h# A' j7 L1 s8 R$ I! t: v( W% Z43     register ulong a = ntoh(k[0]);
* i. @5 o6 x* s! q+ B44     register ulong b = ntoh(k[1]);
45     register ulong c = ntoh(k[2]);
6 W) j6 s. L' A8 j46     register ulong d = ntoh(k[3]);
47     register ulong delta = 0x9E3779B9; /* (sqrt(5)-1)/2*2^32 */
7 i7 _" o3 A. o$ M48     register int round = _round;
2 k* w0 H, ^! Z" v. P' ~2 W49     register ulong sum = 0;
50  
51     while (round--) {    /* basic cycle start */
0 ~& d4 v+ h* [, K52         sum += delta;
53         y += ((z << 4) + a) ^ (z + sum) ^ ((z >> 5) + b);
54         z += ((y << 4) + c) ^ (y + sum) ^ ((y >> 5) + d);
55     }    /* end cycle */
56     out[0] = ntoh(y);
! g9 C  r7 ~: v* Z7 {57     out[1] = ntoh(z);
58 }
( T2 D9 ^; j8 o  n5 c4 T/ M" c59  
60 void TEA::decrypt(const ulong *in, ulong *out) {
0 T) [! X3 V& u  m" ~5 k- s61  
4 Y% v) U9 j+ h8 x) g! U0 g62     ulong *k = (ulong*)_key;
9 d, [: `0 O' k, C. k# a- B63     register ulong y = ntoh(in[0]);
64     register ulong z = ntoh(in[1]);
65     register ulong a = ntoh(k[0]);
0 k* [; f0 B7 u66     register ulong b = ntoh(k[1]);
$ O; I: Y% ~7 C67     register ulong c = ntoh(k[2]);
0 f5 O+ q. c( X& _! f68     register ulong d = ntoh(k[3]);
69     register ulong delta = 0x9E3779B9; /* (sqrt(5)-1)/2*2^32 */
70     register int round = _round;
71     register ulong sum = 0;
; A1 i! o% `; \/ ]72  
; z" O0 E: a$ r9 N73     if (round == 32)
74         sum = 0xC6EF3720; /* delta << 5*/
, R# z, o# o7 `) ?75     else if (round == 16)
76         sum = 0xE3779B90; /* delta << 4*/
77     else
78         sum = delta << static_cast<int>(logbase(2, round));
79  
5 w  P8 b1 N; O) _6 ]80     while (round--) {    /* basic cycle start */
81         z -= ((y << 4) + c) ^ (y + sum) ^ ((y >> 5) + d);
82         y -= ((z << 4) + a) ^ (z + sum) ^ ((z >> 5) + b);
1 P2 N* u  X3 M; C- y2 v2 P' t83         sum -= delta;
84     }    /* end cycle */
85     out[0] = ntoh(y);
& L$ C9 U* j5 h4 M7 U( u7 O86     out[1] = ntoh(z);
( c7 C% ~7 e( i87 }

需要说明的是TEA的构造函数：
% @1 X" x1 X% [, ^: `4 {TEA(const byte *key, int round = 32, bool isNetByte = false);
1.key - 加密或解密用的128-bit(16byte)密钥。
2.round - 加密或解密的轮数，常用的有64，32，16。
3 d! @  B; k0 m4 m3.isNetByte - 用来标记待处理的字节是不是来自网络，为true时在加密/解密前先要转换成本地字节，执行加密/解密，然后再转换回网络字节。偷偷告诉你，QQ就是这样做的！

2 w6 D: z1 b; a: Z8 R2 Y* ]2 V+ k最后当然少不了测试代码：

天云上人

1 #include "tea.h"
2 #include "util.h"
7 ~& G# P0 M  A) X# d) A2 D 3 #include <iostream>
4  
( h5 T$ v' C! |& y' T1 Y* u4 C 5 using namespace std;
6  
7 int main() {
5 f3 X8 j* {( [$ E2 }  t 8  
9     const string plainStr("AD DE E2 DB B3 E2 DB B3");
% |3 s& }) k+ Z10     const string keyStr("3A DA 75 21 DB E2 DB B3 11 B4 49 01 A5 C6 EA D4");
: ~  U# Q/ u( Z6 b1 z* j11     const int SIZE_IN = 8, SIZE_OUT = 8, SIZE_KEY = 16;
12     byte plain[SIZE_IN], crypt[SIZE_OUT], key[SIZE_KEY];
' z+ C9 l8 l0 h. ~1 [3 y13  
14     size_t size_in = hexStringToBytes(plainStr, plain);
; m0 {% ]/ |+ J) @: h15     size_t size_key = hexStringToBytes(keyStr, key);
16  
7 v1 }9 e; F2 O- N6 z! G" |17     if (size_in != SIZE_IN || size_key != SIZE_KEY)
7 a, X- |: f8 f/ w2 g) m* \' s; J18         return -1;
* y* W: w/ Z! c  }7 l! y: }% Y* E19  
6 J, |! \' z' m2 ]& f& m  C20     cout << "Plain: " << bytesToHexString(plain, size_in) << endl;
+ q% X9 S7 Y/ N- U/ W+ O: G# ^21     cout << "Key  : " << bytesToHexString(key, size_key) << endl;
1 ^* [3 ^4 Z0 _1 a, M4 R! [& E& v22  
23     TEA tea(key, 16, true);
1 R! S! w# K5 \24     tea.encrypt(plain, crypt);
25     cout << "Crypt: " << bytesToHexString(crypt, SIZE_OUT) << endl;
26  
27     tea.decrypt(crypt, plain);
28     cout << "Plain: " << bytesToHexString(plain, SIZE_IN) << endl;
29     return 0;
30 }
3 ?, I) k# o5 k$ l8 Z7 X
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5 N" E  L, l# [8 \1 m  R: Y- l  DPlain: AD DE E2 DB B3 E2 DB B3
4 D6 \( j( L' O$ a! H- q2 x4 L1 gKey  : 3A DA 75 21 DB E2 DB B3 11 B4 49 01 A5 C6 EA D4
1 ]. [! w' f) s) _Crypt: 3B 3B 4D 8C 24 3A FD F2
6 f2 o" W4 c4 _/ U, oPlain: AD DE E2 DB B3 E2 DB B3