C# 程式設計總結（七）：資料加密全解析——雜湊、對稱與非對稱加密

前言

資料加密是資訊安全的基石。本文系統整理雜湊演算法（MD5、SHA1）、對稱加密（DES、AES）、非對稱加密（RSA）的原理、優缺點與 C# 實作，並針對已知弱點給出建議。

一、摘要演算法

摘要演算法（雜湊/散列）將任意長度資料映射為固定長度指紋，具單向不可逆、雪崩效應特性。常用於密碼儲存、完整性校驗、數位簽名。注意：MD5 已被破解，建議改用 SHA256 或更強演算法。

1. MD5

輸出 128 位（16 位元組），常以 32 字元十六進位字串呈現。

public static string EncryptByMD5(string input) {
    using (MD5 md5 = MD5.Create()) {
        byte[] data = md5.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(input));
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        foreach (byte b in data) sb.Append(b.ToString("x2"));
        return sb.ToString();
    }
}

2. SHA1

輸出 160 位（20 位元組），比 MD5 強但亦已不建議用於高安全性場合。

public static string EncryptBySHA1(string input) {
    using (SHA1 sha = SHA1.Create()) {
        byte[] bytes = Encoding.Unicode.GetBytes(input);
        byte[] result = sha.ComputeHash(bytes);
        return BitConverter.ToString(result).Replace("-", "");
    }
}

二、對稱加密

加密解密使用同一把金鑰。優點：速度快、效率高，適合大量資料。缺點：金鑰管理困難、缺乏簽名功能。DES 已被破解，建議使用 3DES 或 AES。

1. DES

56 位金鑰，64 位分組，16 輪迭代。現今極易暴力破解，僅供非機密場合參考。

public static string EncryptString(string input, string sKey) {
    byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(input);
    using (DESCryptoServiceProvider des = new DESCryptoServiceProvider()) {
        des.Key = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(sKey);
        des.IV = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(sKey);
        ICryptoTransform encryptor = des.CreateEncryptor();
        byte[] result = encryptor.TransformFinalBlock(data, 0, data.Length);
        return BitConverter.ToString(result);
    }
}
public static string DecryptString(string input, string sKey) {
    string[] sInput = input.Split('-');
    byte[] data = new byte[sInput.Length];
    for (int i = 0; i < sInput.Length; i++) data[i] = byte.Parse(sInput[i], NumberStyles.HexNumber);
    using (DESCryptoServiceProvider des = new DESCryptoServiceProvider()) {
        des.Key = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(sKey);
        des.IV = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(sKey);
        ICryptoTransform decryptor = des.CreateDecryptor();
        byte[] result = decryptor.TransformFinalBlock(data, 0, data.Length);
        return Encoding.UTF8.GetString(result);
    }
}

2. AES (Rijndael)

美國聯邦政府採用標準，支援 128/192/256 位金鑰，取代 DES 成為主流對稱加密。

// 需定義 static readonly byte[] AES_IV = ... (16 位元組)
public static string EncryptByAES(string input, string key) {
    byte[] keyBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(key.Substring(0, 32)); // 256 位
    using (AesCryptoServiceProvider aes = new AesCryptoServiceProvider()) {
        aes.Key = keyBytes; aes.IV = AES_IV;
        using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
        using (CryptoStream cs = new CryptoStream(ms, aes.CreateEncryptor(), CryptoStreamMode.Write))
        using (StreamWriter sw = new StreamWriter(cs)) {
            sw.Write(input);
        }
        return BitConverter.ToString(ms.ToArray());
    }
}
public static string DecryptByAES(string input, string key) {
    string[] sInput = input.Split('-');
    byte[] inputBytes = new byte[sInput.Length];
    for (int i = 0; i < sInput.Length; i++) inputBytes[i] = byte.Parse(sInput[i], NumberStyles.HexNumber);
    byte[] keyBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(key.Substring(0, 32));
    using (AesCryptoServiceProvider aes = new AesCryptoServiceProvider()) {
        aes.Key = keyBytes; aes.IV = AES_IV;
        using (MemoryStream ms = new MemoryStream(inputBytes))
        using (CryptoStream cs = new CryptoStream(ms, aes.CreateDecryptor(), CryptoStreamMode.Read))
        using (StreamReader sr = new StreamReader(cs)) {
            return sr.ReadToEnd();
        }
    }
}

三、非對稱加密

使用公鑰/私鑰對。公鑰加密、私鑰解密（機密性）；私鑰加密、公鑰解密（簽名/身分驗證）。優點：無需預先交換金鑰、金鑰管理容易、支援防抵賴。缺點：運算速度慢，不適合大量資料。

主要演算法

RSA、ElGamal、ECC（橢圓曲線）等。RSA 最常見，基於大數質因數分解困難性。

RSA 加解密實作

public static string EncryptByRSA(string plaintext, string publicKey) {
    UnicodeEncoding converter = new UnicodeEncoding();
    byte[] data = converter.GetBytes(plaintext);
    using (RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider()) {
        rsa.FromXmlString(publicKey);
        byte[] encrypted = rsa.Encrypt(data, false);
        return Convert.ToBase64String(encrypted);
    }
}
public static string DecryptByRSA(string ciphertext, string privateKey) {
    UnicodeEncoding converter = new UnicodeEncoding();
    using (RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider()) {
        rsa.FromXmlString(privateKey);
        byte[] data = Convert.FromBase64String(ciphertext);
        byte[] decrypted = rsa.Decrypt(data, false);
        return converter.GetString(decrypted);
    }
}

完整原始碼下載：EncriptSample.zip