C# 對稱加密實戰：使用 Rijndael 實作檔案加密與解密

前言

在資料安全領域，對稱加密因其效能高、實作簡單而廣泛應用於檔案保護。Rijndael 作為 AES（Advanced Encryption Standard）的底層演算法，提供了區塊大小與金鑰長度的靈活配置，是 .NET Framework 中實作對稱加密的首選。本文將透過一個完整的 Windows Forms 範例，示範如何使用 RijndaelManaged 類別實現檔案的加密與解密，包含密碼驗證、檔案流處理、初始化向量（IV）管理以及錯誤處理等關鍵技術細節。

核心架構與類別設計

範例程式採用單一表單（Form1）架構，主要元件包括：

• 兩個文字方塊（textBox1、textBox2）分別用於輸入來源檔案路徑與輸出檔案路徑
• 一個密碼輸入框（textBox3），設定 PasswordChar 為 '$' 隱藏輸入，長度限制 8-16 字元
• 四個按鈕：開啟檔案（button3）、儲存檔案（button4）、加密（button1）、解密（button2）
• 一個核取方塊（checkBox1）控制操作完成後是否刪除來源檔案

關鍵程式碼解析

1. 加密核心邏輯

public void encryption(string password, string readFile, string writeFile)
{
    try
    {
        // 密碼長度驗證（8-16 字元）
        if (password.Length >= 8 && password.Length <= 16)
        {
            byte[] key = Encoding.Default.GetBytes(password);
            byte[] iv = rij.IV; // 使用預設 IV
            
            Rijndael crypt = Rijndael.Create();
            ICryptoTransform transform = crypt.CreateEncryptor(key, iv);
            
            // 建立輸出檔案流與加密流
            using (FileStream fsWrite = new FileStream(writeFile, FileMode.Create))
            using (CryptoStream cs = new CryptoStream(fsWrite, transform, CryptoStreamMode.Write))
            using (FileStream fsRead = new FileStream(readFile, FileMode.Open))
            {
                int byteData;
                while ((byteData = fsRead.ReadByte()) != -1)
                {
                    cs.WriteByte((byte)byteData);
                }
            }
            
            enresult = true;
            MessageBox.Show("加密完成！");
        }
        else
        {
            MessageBox.Show("密碼長度必須為 8-16 字元！");
        }
    }
    catch (Exception ex)
    {
        MessageBox.Show(ex.ToString());
    }
}

關鍵點說明：

• 使用 Encoding.Default.GetBytes 將密碼字串轉為位元組陣列作為金鑰
• RijndaelManaged.IV 屬性自動產生隨機初始化向量，確保相同明文加密結果不同
• CryptoStream 以串流方式處理資料，避免大檔案一次載入記憶體
• 採用 using 區塊確保資源正確釋放（原始碼使用手動 Close()，現代寫法建議改用 using）

2. 解密核心邏輯

public void decryption(string password, string readFile, string writeFile)
{
    try
    {
        if (password.Length >= 8 && password.Length <= 16)
        {
            byte[] key = Encoding.Default.GetBytes(password);
            byte[] iv = rij.IV; // 必須與加密時相同的 IV
            
            Rijndael crypt = Rijndael.Create();
            ICryptoTransform transform = crypt.CreateDecryptor(key, iv);
            
            using (FileStream fsRead = new FileStream(readFile, FileMode.Open))
            using (CryptoStream cs = new CryptoStream(fsRead, transform, CryptoStreamMode.Read))
            using (FileStream fsWrite = new FileStream(writeFile, FileMode.OpenOrCreate))
            {
                int byteData;
                while ((byteData = cs.ReadByte()) != -1)
                {
                    fsWrite.WriteByte((byte)byteData);
                }
            }
            
            deresult = true;
            MessageBox.Show("解密完成！");
        }
        else
        {
            MessageBox.Show("密碼長度必須為 8-16 字元！");
        }
    }
    catch (Exception ex)
    {
        MessageBox.Show(ex.ToString());
    }
}

重要提醒： 解密時必須使用與加密完全相同的 IV。範例中直接使用 rij.IV（類別層級欄位），若實際部署需將 IV 與加密檔案一同儲存（通常寫入檔案開頭），否則無法正確解密。

3. 檔案操作輔助功能

// 取得副檔名
private string getfileext(string filename)
{
    try
    {
        string[] parts = filename.Split('.');
        return parts.Length > 1 ? parts[1] : null;
    }
    catch { return null; }
}

// 刪除來源檔案
public void DeleteFile(string filename)
{
    try { File.Delete(filename); }
    catch (Exception ex) { MessageBox.Show(ex.ToString()); }
}

安全性考量與改進建議

1. 金鑰衍生：直接使用密碼位元組作為金鑰不夠安全，建議使用 Rfc2898DeriveBytes (PBKDF2) 配合鹽值與迭代次數衍生金鑰
2. IV 管理：每次加密應產生新的隨機 IV，並將其儲存在加密檔案前端（如前 16 位元組），解密時先讀取 IV
3. 完整性驗證：對稱加密無法防範竄改，建議加入 HMAC-SHA256 驗證檔案完整性
4. 異常處理：捕獲具體例外類型（CryptographicException, IOException）而非通用 Exception
5. 資源釋放：全面採用 using 陳述式確保 IDisposable 物件正確釋放

完整專案結構

專案包含標準的 Program.cs 進入點與 Form1.Designer.cs 設計器程式碼。建議將加密邏輯封裝為獨立的靜態工具類別（如 CryptoHelper），與 UI 解耦，方便單元測試與重複使用。

總結

本範例展示了 C# 使用 System.Security.Cryptography 命名空間實作 Rijndael 對稱加密的基本流程。雖然程式碼可正常運作，但在生產環境中必須加強金鑰管理、IV 處理與完整性保護。理解這些基礎概念後，開發者可進一步探索 AES-GCM 等認證加密模式，構建更安全的資料保護方案。