XXTEA 加密算法的 JavaScript 和 PHP 实现

昵称3884271 2015-01-16

展开全文

原创作品，转载请注明出处。

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。

XXTEA 算法很安全，而且非常快速，非常适合应用于 Web 开发中。但目前似乎很少有人将该算法用于实际开发中。甚至国内尚无介绍该算法的文章（至少在 Google 上搜索不到这方面的中文文章，关于密码学算法的书中也未见提及）。我在 Google 上搜索到了几个国外的 XXTEA 算法的实现（见参考文献），但基本上都是 JavaScript 的，但这些 JavaScript 实现也有一些问题，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。另外单纯的 JavaScript 是没有意义的，因为单纯的客户端加密解密是不能有效保证信息的安全性的。因此我写了这个 JavaScript 和 PHP 实现，这两种实现在字符串编码上采用的算法是一致的，因此 JavaScript 加密的内容可以用 PHP 实现的解密算法进行解密，反之亦然。

注意：如果需要在 JavaScript 中加密解密带有汉字的信息，在加密时，需要先将带加密信息用 utf16to8 进行转换，解密时，需要将解密后的内容再用 utf8to16 还原。如果要在 PHP 和 JavaScript 之间传递带有汉字的加密信息，原信息需要用 UTF-8 字符集。

2006年12月9日更新

当解密失败时（如未使用正确的密钥），可以返回 null（JavaScript）或 flase（PHP）。

2006年7月23日更新

修正了当密钥不足 16 个字节时无法加密/解密的问题。

2006年6月27日更新

修正了大多数 Linux 系统上 PHP 浮点数到整数转化不正常引起的加密解密不正确的问题。（十分感谢 lynk 和 lishouming 二位的帮助和测试！）

2006年3月7日更新

修正了在 64 位机上不能正常工作的问题。（十分感谢大侠鼎力相助测试！）

JavaScript 版本的演示程序：http://test./xxtea/

JavaScript 实现代码

xxtea.js

/* XXTEA encryption arithmetic library.
*
* Copyright (C) 2006 Ma Bingyao <andot@ujn.edu.cn>
* Version: 1.5
* LastModified: Dec 9, 2006
* This library is free. You can redistribute it and/or modify it.
*/
function long2str(v, w) {
var vl = v.length;
var n = (vl - 1) << 2;
if (w) {
var m = v[vl - 1];
if ((m < n - 3) || (m > n)) return null;
n = m;
}
for (var i = 0; i < vl; i++) {
v[i] = String.fromCharCode(v[i] & 0xff,
v[i] >>> 8 & 0xff,
v[i] >>> 16 & 0xff,
v[i] >>> 24 & 0xff);
}
if (w) {
return v.join('').substring(0, n);
}
else {
return v.join('');
}
}
function str2long(s, w) {
var len = s.length;
var v = [];
for (var i = 0; i < len; i += 4) {
v[i >> 2] = s.charCodeAt(i)
| s.charCodeAt(i + 1) << 8
| s.charCodeAt(i + 2) << 16
| s.charCodeAt(i + 3) << 24;
}
if (w) {
v[v.length] = len;
}
return v;
}
function xxtea_encrypt(str, key) {
if (str == "") {
return "";
}
var v = str2long(str, true);
var k = str2long(key, false);
if (k.length < 4) {
k.length = 4;
}
var n = v.length - 1;
var z = v[n], y = v[0], delta = 0x9E3779B9;
var mx, e, p, q = Math.floor(6 + 52 / (n + 1)), sum = 0;
while (0 < q--) {
sum = sum + delta & 0xffffffff;
e = sum >>> 2 & 3;
for (p = 0; p < n; p++) {
y = v[p + 1];
mx = (z >>> 5 ^ y << 2) + (y >>> 3 ^ z << 4) ^ (sum ^ y) + (k[p & 3 ^ e] ^ z);
z = v[p] = v[p] + mx & 0xffffffff;
}
y = v[0];
mx = (z >>> 5 ^ y << 2) + (y >>> 3 ^ z << 4) ^ (sum ^ y) + (k[p & 3 ^ e] ^ z);
z = v[n] = v[n] + mx & 0xffffffff;
}
return long2str(v, false);
}
function xxtea_decrypt(str, key) {
if (str == "") {
return "";
}
var v = str2long(str, false);
var k = str2long(key, false);
if (k.length < 4) {
k.length = 4;
}
var n = v.length - 1;
var z = v[n - 1], y = v[0], delta = 0x9E3779B9;
var mx, e, p, q = Math.floor(6 + 52 / (n + 1)), sum = q * delta & 0xffffffff;
while (sum != 0) {
e = sum >>> 2 & 3;
for (p = n; p > 0; p--) {
z = v[p - 1];
mx = (z >>> 5 ^ y << 2) + (y >>> 3 ^ z << 4) ^ (sum ^ y) + (k[p & 3 ^ e] ^ z);
y = v[p] = v[p] - mx & 0xffffffff;
}
z = v[n];
mx = (z >>> 5 ^ y << 2) + (y >>> 3 ^ z << 4) ^ (sum ^ y) + (k[p & 3 ^ e] ^ z);
y = v[0] = v[0] - mx & 0xffffffff;
sum = sum - delta & 0xffffffff;
}
return long2str(v, true);
}

PHP 实现代码

xxtea.php

<?php
/* XXTEA encryption arithmetic library.
*
* Copyright (C) 2006 Ma Bingyao <andot@ujn.edu.cn>
* Version: 1.5
* LastModified: Dec 5, 2006
* This library is free. You can redistribute it and/or modify it.
*/
function long2str($v, $w) {
$len = count($v);
$n = ($len - 1) << 2;
if ($w) {
$m = $v[$len - 1];
if (($m < $n - 3) || ($m > $n)) return false;
$n = $m;
}
$s = array();
for ($i = 0; $i < $len; $i++) {
$s[$i] = pack("V", $v[$i]);
}
if ($w) {
return substr(join('', $s), 0, $n);
}
else {
return join('', $s);
}
}
function str2long($s, $w) {
$v = unpack("V*", $s. str_repeat("\0", (4 - strlen($s) % 4) & 3));
$v = array_values($v);
if ($w) {
$v[count($v)] = strlen($s);
}
return $v;
}
function int32($n) {
while ($n >= 2147483648) $n -= 4294967296;
while ($n <= -2147483649) $n += 4294967296;
return (int)$n;
}
function xxtea_encrypt($str, $key) {
if ($str == "") {
return "";
}
$v = str2long($str, true);
$k = str2long($key, false);
if (count($k) < 4) {
for ($i = count($k); $i < 4; $i++) {
$k[$i] = 0;
}
}
$n = count($v) - 1;
$z = $v[$n];
$y = $v[0];
$delta = 0x9E3779B9;
$q = floor(6 + 52 / ($n + 1));
$sum = 0;
while (0 < $q--) {
$sum = int32($sum + $delta);
$e = $sum >> 2 & 3;
for ($p = 0; $p < $n; $p++) {
$y = $v[$p + 1];
$mx = int32((($z >> 5 & 0x07ffffff) ^ $y << 2) + (($y >> 3 & 0x1fffffff) ^ $z << 4)) ^ int32(($sum ^ $y) + ($k[$p & 3 ^ $e] ^ $z));
$z = $v[$p] = int32($v[$p] + $mx);
}
$y = $v[0];
$mx = int32((($z >> 5 & 0x07ffffff) ^ $y << 2) + (($y >> 3 & 0x1fffffff) ^ $z << 4)) ^ int32(($sum ^ $y) + ($k[$p & 3 ^ $e] ^ $z));
$z = $v[$n] = int32($v[$n] + $mx);
}
return long2str($v, false);
}
function xxtea_decrypt($str, $key) {
if ($str == "") {
return "";
}
$v = str2long($str, false);
$k = str2long($key, false);
if (count($k) < 4) {
for ($i = count($k); $i < 4; $i++) {
$k[$i] = 0;
}
}
$n = count($v) - 1;
$z = $v[$n];
$y = $v[0];
$delta = 0x9E3779B9;
$q = floor(6 + 52 / ($n + 1));
$sum = int32($q * $delta);
while ($sum != 0) {
$e = $sum >> 2 & 3;
for ($p = $n; $p > 0; $p--) {
$z = $v[$p - 1];
$mx = int32((($z >> 5 & 0x07ffffff) ^ $y << 2) + (($y >> 3 & 0x1fffffff) ^ $z << 4)) ^ int32(($sum ^ $y) + ($k[$p & 3 ^ $e] ^ $z));
$y = $v[$p] = int32($v[$p] - $mx);
}
$z = $v[$n];
$mx = int32((($z >> 5 & 0x07ffffff) ^ $y << 2) + (($y >> 3 & 0x1fffffff) ^ $z << 4)) ^ int32(($sum ^ $y) + ($k[$p & 3 ^ $e] ^ $z));
$y = $v[0] = int32($v[0] - $mx);
$sum = int32($sum - $delta);
}
return long2str($v, true);
}
?>