XTEA加密算法实现过程

XTEA的密钥

XTEA算法的密钥长度为128位（16字节）。在实际应用中，为了提高安全性，可以使用更长的密钥，例如256位（32字节）或512位（64字节）。本文展示的密钥是128位的。

XTEA的两个重要的值

参与XTEA加密算法的数据，除了密钥之外，就是两个常量和数据。

这两个常量是ROUNDS和DELTA。

XTEA算法中，ROUNDS和DELTA这两个常量的值是由算法的设计者所确定的。它们的值是通过分析和实验得出的，旨在提供足够的安全性和性能。

具体来说，XTEA算法中的ROUNDS常量通常为32轮。这个值是通过分析和计算得出的，可以在保证足够安全性的情况下，保持算法的高效性。

而XTEA算法中的DELTA常量则为固定值0x9e3779b9，这个值是经过实验得出的。在XTEA算法中，DELTA常量用于计算轮密钥，以增加加密的随机性和安全性。

需要注意的是，虽然ROUNDS和DELTA这两个常量在XTEA算法中固定，但它们仅仅是算法的设计参数，不能保证绝对的安全性。在实际应用中，需要根据具体的场景和需求，选择合适的密钥长度、加密轮数、工作模式等参数，以保证加密的安全性和高效性。同时，密钥的选择和管理也是保证加密安全性的重要环节之一。

XTEA算法的加密过程如下

1. 初始化

首先，将128位的密钥划分成四个32位的子密钥$[k_0, k_1, k_2, k_3]$，并将明文块$[v_0, v_1]$分成两个32位的子块$[v_0, v_1]$。然后，初始化变量$sum$和$delta$，其中$sum$的初始值为0，$delta$的值为固定的常数0x9E3779B9。

void xtea_encipher(unsigned int num_rounds, uint32_t v[2], const uint32_t key[4]) {
    uint32_t sum = 0;
    uint32_t delta = 0x9E3779B9;
    uint32_t k[4];
    memcpy(k, key, sizeof(k));
    uint32_t v0 = v[0];
    uint32_t v1 = v[1];

2. 迭代加密

接下来，对于每个明文块$[v_0, v_1]$，循环执行加密操作$num\_rounds$次，每次加密操作中，都使用密钥的四个子密钥$[k_0, k_1, k_2, k_3]$对明文块$[v_0, v_1]$进行加密，加密结果保存在$v$数组中。    

for (unsigned int i = 0; i < num_rounds; i++) {
        v0 += (((v1 << 4) ^ (v1 >> 5)) + v1) ^ (sum + k[sum & 3]);
        sum += delta;
        v1 += (((v0 << 4) ^ (v0 >> 5)) + v0) ^ (sum + k[(sum >> 11) & 3]);
    }

在每次加密操作中，首先将$[v_1]$左移4位，然后将结果与$[v_1]$右移5位的结果进行异或运算，再将结果加上$[v_1]$的值，最后再将结果与$sum$和$[k_{sum\ \&\ 3}]$进行异或运算。其中，$sum\ \&\ 3$表示$sum$的低2位，即$sum$对4取模所得的余数。这个操作是为了保证每个子密钥都能够参与到加密过程中。

然后，将$sum$加上固定常数$delta$，$delta$的值为0x9E3779B9，这个常数的选取保证了加密的安全性。

接下来，将$[v_0]$左移4位，然后将结果与$[v_0]$右移5位的结果进行异或运算，再将结果加上$[v_0]$的值，最后再将结果与$sum$和$[k_{(sum\ \gg\ 11)\ \&\ 3}]$进行异或运算。其中，$(sum\ \gg\ 11)\ \&\ 3$表示$sum$向右移11位，并对4取模所得的余数。这个操作是为了保证每个子密钥都能够参与到加密过程中。

3. 输出密文

最后，将加密结果$v$保存在输出数组中。

v[0] = v0;
    v[1] = v1;
}

完整的XTEA加密代码如下：

#include <stdint.h>
#include <string.h>
void xtea_encipher(unsigned int num_rounds, uint32_t v[2], uint32_t const key[4]) {
    uint32_t sum = 0;
    uint32_t delta = 0x9E3779B9;
    uint32_t k[4];
    memcpy(k, key, sizeof(k));
    uint32_t v0 = v[0];
    uint32_t v1 = v[1];
    for (unsigned int i = 0; i < num_rounds; i++) {
        v0 += (((v1 << 4) ^ (v1 >> 5)) + v1) ^ (sum + k[sum & 3]);
        sum += delta;
        v1 += (((v0 << 4) ^ (v0 >> 5)) + v0) ^ (sum + k[(sum >> 11) & 3]);
    }
    v[0] = v0;
    v[1] = v1;
}

在使用XTEA算法进行加密时，需要指定加密轮数$num\_rounds$和128位的密钥$key$，以及明文的两个32位子块$v$。加密结果即为128位的密文块。

需要注意的是，XTEA算法的加密和解密过程是相同的，只需要将加密过程中的加密操作改为解密操作即可。在实际使用中，通常使用CBC（Cipher Block Chaining）模式或CFB（Cipher Feedback）模式等分组密码工作模式来保证加密的安全性。

XTEA解密

解密算法是加密算法逆运算，区别较少

1. 轮密钥的使用方式不同。在加密函数中，轮密钥的顺序为k0、k1、k2、k3；而在解密函数中，轮密钥的顺序为k3、k2、k1、k0。这是因为在XTEA算法中，加密和解密轮密钥的顺序是相反的。

2. 加密和解密操作的顺序不同。在加密函数中，先加v1再加v0，而在解密函数中，先减v0再减v1。这是因为在XTEA算法中，加密和解密操作的顺序是相反的。

3. 解密函数中的sum初始值不同。在解密函数中，sum的初始值为DELTA * ROUNDS，而在加密函数中，sum的初始值为0。这是因为在解密函数中，sum的计算顺序与加密函数相反，需要先减后加。

#include <stdint.h>
#include <string.h>
#define DELTA 0x9e3779b9
#define ROUNDS 32
void xtea_encrypt(uint32_t *data, uint32_t *key) {
    uint32_t sum = 0;
    uint32_t v0 = data[0], v1 = data[1];
    uint32_t k0 = key[0], k1 = key[1], k2 = key[2], k3 = key[3];
    for (int i = 0; i < ROUNDS; i++) {
        v0 += (((v1 << 4) ^ (v1 >> 5)) + v1) ^ (sum + k0);
        sum += DELTA;
        v1 += (((v0 << 4) ^ (v0 >> 5)) + v0) ^ (sum + k1);
        v0 += (((v1 << 4) ^ (v1 >> 5)) + v1) ^ (sum + k2);
        v1 += (((v0 << 4) ^ (v0 >> 5)) + v0) ^ (sum + k3);
    }
    data[0] = v0;
    data[1] = v1;
}
void xtea_decrypt(uint32_t *data, uint32_t *key) {
    uint32_t sum = DELTA * ROUNDS;
    uint32_t v0 = data[0], v1 = data[1];
    uint32_t k0 = key[0], k1 = key[1], k2 = key[2], k3 = key[3];
    for (int i = 0; i < ROUNDS; i++) {
        v1 -= (((v0 << 4) ^ (v0 >> 5)) + v0) ^ (sum + k3);
        v0 -= (((v1 << 4) ^ (v1 >> 5)) + v1) ^ (sum + k2);
        sum -= DELTA;
        v1 -= (((v0 << 4) ^ (v0 >> 5)) + v0) ^ (sum + k1);
        v0 -= (((v1 << 4) ^ (v1 >> 5)) + v1) ^ (sum + k0);
    }
    data[0] = v0;
    data[1] = v1;
}

XTEA算法和TEA算法的区别

TEA加密算法（Tiny Encryption Algorithm）和XTEA加密算法（eXtended TEA）都是对称密钥加密算法，它们的基本加密原理和算法流程基本相同，但在一些细节上有所不同。

下面是TEA和XTEA两种算法之间的主要区别：

1. 密钥长度不同：TEA算法采用128位密钥，而XTEA算法采用更长的256位密钥。

2. 加密轮数不同：TEA算法采用32轮迭代加密/解密，而XTEA算法采用64轮迭代加密/解密。这使得XTEA算法有更好的安全性，但也使得它相对于TEA算法来说更加耗时。

3. 算法细节不同：XTEA算法在TEA算法的基础上进行了改进，主要针对TEA算法中的一些安全弱点。具体来说，XTEA算法中的迭代加密/解密中加入了一个变量delta的变化，以增强算法的安全性。此外，XTEA算法中的轮加密过程也做了一些微调，例如将密钥扩展的方式做了改进等。

总体上来说，XTEA算法相对于TEA算法来说更加安全，但也更加耗时。因此，在实际应用中需要根据具体需要进行选择。一般来说，如果对安全性要求较高，可以选择XTEA算法；如果对加密速度要求较高，可以选择TEA算法。