加密解密概述及.NET中對加密解密的支援（二）

 

.NET中加密解密的支援

相信通過前面幾頁的敘述，大家已經明白了加密解密、數位簽章的基本原理，下面我們看一下在.NET中是如何來支援加密解密的。正如上面我們所進行的分類，.NET中也提供了兩組類用於加密解密，一組為對稱式加密，一組為非對稱式加密。這些類按照名稱還可以分為兩組，一組尾碼為“CryptoServiceProvider”的，是對於底層Windows API的封裝類，一組尾碼為“Managed”，是在.NET中全新編寫的類。

.NET對稱式加密解密支援

.NET Framework提供了一些常見的對稱演算法的實現，包括DES、RC2等。下面列出了與對稱演算法有關的類的結構：

  System.Security.Cryptography.SymmetricAlgorithm

  System.Security.Cryptography.Aes
     System.Security.Cryptography.AesCryptoServiceProvider
     System.Security.Cryptography.AesManaged
     System.Security.Cryptography.DES

      System.Security.Cryptography.DESCryptoServiceProvider
     System.Security.Cryptography.RC2

     System.Security.Cryptography.RC2CryptoServiceProvider
     System.Security.Cryptography.Rijndael

     System.Security.Cryptography.RijndaelManaged
     System.Security.Cryptography.TripleDES

     System.Security.Cryptography.TripleDESCryptoServiceProvider

這些類中黑體表示的類為實現演算法的具體類，其它的都是抽象類別；也可以根據需要實現自己的對稱演算法。

.NET非對稱式加密解密支援

RSA是當今最常用的非對稱演算法，其被應用於很多領域。RSA演算法的理論依據來自於一個大素數所具有的特性：對於給定的兩個大素數A與B，很容易計算出它們的乘積；但是，僅知道AB的成績卻很難計算原來的A與B各自的值。

.NET Frameork提供了兩個類供我們使用RSA演算法：用於加密資料的RSACryptoServiceProvider類以及用於對資料做數位簽章的DSACryptoServiceProvider類（DSA: Digital Signature Algorithm，數位簽章演算法），其類的階層如下

 

  System.Security.Cryptography.AsymmetricAlgorithm
     System.Security.Cryptography.DSA

      System.Security.Cryptography.DSACryptoServiceProvider
     System.Security.Cryptography.RSA

      System.Security.Cryptography.RSACryptoServiceProvider

   System.Security.Cryptography.ECDiffieHellman（橢圓曲線Diffie-Hellman (ECDH) 演算法實現）

      System.Security.Cryptography.ECDiffieHellmanCng（橢圓曲線Diffie-Hellman (ECDH) 演算法的新一代密碼編譯 (CNG) 實現）
   System.Security.Cryptography.ECDsa

     System.Security.Cryptography.ECDsaCng（橢圓曲線數位簽章演算法 (ECDSA) 的新一代密碼編譯 (CNG) 實現）

 

.NET散列演算法支援

散列演算法是把長長的一列資料變成較短的代碼，這是最流行的64位散列密鑰。兩個最流行的散列演算法是SHA(Secured Hash Algorithm)和MD5(MessageDigest version5)。這些散列密鑰用於標記數字文檔。

    散列值是根據一個資料集合計算出來的數字。如果資料集合不同，那麼計算出來的數字基本上也是不同的。.NET Framework在其System.Security.Cryptography命名空間下提供了一些主要的散列演算法，包括：SHAx、RIPEMD160、與MD5。

 

  System.Security.Cryptography.HashAlgorithm

System.Security.Cryptography.KeyedHashAlgorithm（鍵控雜湊演算法的實現基類）

             System.Security.Cryptography.HMAC （基於雜湊的訊息驗證碼 (HMAC)的抽象類別）

System.Security.Cryptography.HMACMD5

System.Security.Cryptography.HMACRIPEMD160

System.Security.Cryptography.HMACSHA1

System.Security.Cryptography.HMACSHA256

System.Security.Cryptography.HMACSHA384

System.Security.Cryptography.HMACSHA512

System.Security.Cryptography.MACTripleDES
System.Security.Cryptography.MD5

System.Security.Cryptography.MD5Cng（128 位雜湊演算法的 CNG（新一代密碼編譯）實現）

        System.Security.Cryptography.MD5CryptoServiceProvider

System.Security.Cryptography.RIPEMD160

        System.Security.Cryptography.RIPEMD160Managed

System.Security.Cryptography.SHA1

          System.Security.Cryptography.SHA1CryptoServiceProvider
           System.Security.Cryptography.SHA1Managed

System.Security.Cryptography.SHA256

   System.Security.Cryptography.SHA256Managed

System.Security.Cryptography.SHA384

        System.Security.Cryptography.SHA384Managed

System.Security.Cryptography.SHA512

        System.Security.Cryptography.SHA512Managed

 

KeyedHash

鍵控雜湊演算法是依賴於密鑰的單向雜湊函數，用作訊息驗證碼。只有知道密鑰的人才能驗證雜湊值。加密雜湊演算法提供沒有機密的真實性。

SHA

SHA（安全散列演算法）是一個塊密碼，在64位的資料區塊上執行，這個演算法的改進版本採用了更大的密鑰值，當然，密鑰值越大所需的計算時間越長。而且，對於相對較小的檔案，散列值越小就越安全，就是說，散列演算法的塊大小應小於或等於資料區塊本身的大小。 SHA1演算法的散列範圍是160位。

.NET Framework也提供了更大的密鑰值演算法，分別為SHA256、SHA384和SHA512。名稱最後的數字表示其塊大小。

ASP.NET安全性中的成員資格提供者使用SHA1加密使用者密碼。

MD5

MD5表示MessageDigest版本5。它是一個加密的單向散列演算法。MD5有抗偽造，計算成本低且執行簡單等特點。現在MD5已成為散列演算法的事實標準。

    .NET Framework提供了MD5CryptoServiceProvider這個類實現MD5演算法。該類與SHA1共用同一個基類，前面的樣本也只需要做簡單的改動即可成為使用MD5進行處理的例子。

RIPEMD-160

基於MD5的RIPEMD-160最早出現於歐洲，是一個使用160位的散列演算法。.NET也引入了對這種演算法的支援。

 

對稱式加密解密樣本

現在假設我們以TripleDES作為演算法，那麼加密的流程如下：

1. 先建立一個TripleDESCryptoServiceProvider的執行個體，執行個體名比如叫provider。

2.在provider上指定密鑰和IV，也就是它的Key屬性和IV屬性。這裡簡單解釋一下IV（initialization vector），如果一個字串（或者資料）加密之前很多部分是重複的比如ABCABCABC，那麼加密之後儘管字串是亂碼，但相關部分也是重複的。為瞭解決這個問題，就引入了IV，當使用它以後，加密之後即使是重複的也被打亂了。對於特定演算法，密鑰和IV的值可以隨意指定，但長度是固定，通常密鑰為128位或196位，IV為64位。密鑰和IV都是byte[]類型，因此，如果使用Encoding類來將字串轉換為byte[]，那麼編碼方式就很重要，因為UTF8是變長編碼，所以對於中文和英文，需要特別注意byte[]的長度問題。

3.如果是加密，在provider上調用CreateEncryptor()方法，建立一個ICryptoTransform類型的加密器對象；如果是解密，在provider上調用CreateDecryptor()方法，同樣是建立一個ICryptoTransform類型的解密器對象。ICryptoTransform定義了加密轉換的運算，.NET將在底層調用這個介面。

4.因為流和byte[]是資料類型無關的一種資料結構，可以儲存和傳輸任何形式的資料，區別只是byte[]是一個靜態概念而流是一個動態概念。因此，.NET採用了流的方式進行加密和解密，我們可以想到有兩個流，一個是明文流，含有加密前的資料；一個是密文流，含有加密後的資料。那麼就必然有一個中介者，將明文流轉換為密文流；或者將密文流轉換為明文流。.NET中執行這個操作的中介者也是一個流類型，叫做CryptoStream。它的建構函式如下，共有三個參數：

publicCryptoStream(Stream stream, ICryptoTransform transform, CryptoStreamMode mode)

5. 當加密時，stream為密文流（注意此時密文流還沒有包含資料，僅僅是一個空流）；ICryptoTransform是第3步建立的加密器，包含著加密的演算法；CryptoStreamMode枚舉為Write，意思是將流經CryptoStream的明文流寫入到密文流中。最後，從密文流中獲得加密後的資料。

6. 當解密時，stream為密文流（此時密文流含有資料）；ICryptoTransform是第3步建立的解密器，包含著解密的演算法；CryptoStreamMode枚舉為Read，意思是將密文流中的資料讀出到byte[]數組中，進而再由byte[]轉換為明文流、明文字串。

可見，CryptoStream總是接受密文流，並且根據CryptoStreamMode枚舉的值來決定是將明文流寫入到密文流（加密），還是將密文流讀入到明文流中（解密）。下面是我編寫的一個加密解密的Helper類：

// 對稱式加密協助類    public class CryptoHelper    {        private SymmetricAlgorithm provider;        private ICryptoTransform encryptor;        private ICryptoTransform decryptor;        private const int BufferSize = 1024;        public CryptoHelper(string algorithmName)        {            provider = SymmetricAlgorithm.Create(algorithmName);            string strKey = ConfigurationManager.AppSettings["CryptoKey"];            string strIV = ConfigurationManager.AppSettings["CryptoIV"];            if (string.IsNullOrEmpty(strKey) || string.IsNullOrEmpty(strIV))                throw new ArgumentNullException("CryptoKey");            //Key            byte[] bsKey = Encoding.UTF8.GetBytes(strKey);            int keySize = provider.KeySize/8;            if (bsKey.Length != keySize)            {                byte[] key = new byte[keySize];                if (bsKey.Length > keySize)                    Array.Copy(bsKey, key, keySize);                else                    Array.Copy(bsKey, key, bsKey.Length);                provider.Key = key;            }            else            {                provider.Key = bsKey;            }            //IV            byte[] bsIV = Encoding.UTF8.GetBytes(strIV);            int ivSize = provider.BlockSize / 8;            if (bsIV.Length != ivSize)            {                byte[] iv = new byte[ivSize];                if(bsIV.Length > ivSize)                    Array.Copy(bsIV, iv, ivSize);                else                    Array.Copy(bsIV, iv, bsIV.Length);                provider.IV = iv;            }            else            {                provider.IV = bsIV;            }            encryptor = provider.CreateEncryptor();            decryptor = provider.CreateDecryptor();        }        public CryptoHelper() : this("TripleDES") { }        // Encrypt        public string Encrypt(string clearText)        {            byte[] clearBuffer = Encoding.UTF8.GetBytes(clearText);            MemoryStream clearStream = null;            MemoryStream encryptedStream = null;            CryptoStream cryptoStream = null;            try            {                clearStream = new MemoryStream(clearBuffer);                encryptedStream = new MemoryStream();                cryptoStream = new CryptoStream(encryptedStream, encryptor, CryptoStreamMode.Write);                byte[] buffer = new byte[BufferSize];                int bytesRead = 0;                while((bytesRead = clearStream.Read(buffer, 0, BufferSize)) > 0)                {                    cryptoStream.Write(buffer, 0, bytesRead);                }                cryptoStream.FlushFinalBlock();                buffer = encryptedStream.ToArray();                string encryptedText = Convert.ToBase64String(buffer);                return encryptedText;            }            finally            {                if (cryptoStream != null)                {                    cryptoStream.Close();                    cryptoStream = null;                }                if (encryptedStream != null)                {                    encryptedStream.Close();                    encryptedStream = null;                }                if (clearStream != null)                {                    clearStream.Close();                    clearStream = null;                }                if (provider != null)                {                    provider.Clear();                }            }        }        // Decrypt        public string Decrypt(string encryptedText)        {            byte[] encryptedBuffer = Convert.FromBase64String(encryptedText);            byte[] buffer = new byte[BufferSize];            Stream encryptedStream = null;            MemoryStream clearStream = null;            CryptoStream cryptoStream = null;            try            {                encryptedStream = new MemoryStream(encryptedBuffer);                clearStream = new MemoryStream();                cryptoStream = new CryptoStream(encryptedStream, decryptor, CryptoStreamMode.Read);                int bytesRead = 0;                while ((bytesRead = cryptoStream.Read(buffer, 0, BufferSize)) > 0)                {                    clearStream.Write(buffer, 0, bytesRead);                }                buffer = clearStream.GetBuffer();                string clearText = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, (int)clearStream.Length);                return clearText;            }            finally            {                if (encryptedStream != null)                {                    encryptedStream.Close();                    encryptedStream = null;                }                if (clearStream != null)                {                    clearStream.Close();                    clearStream = null;                }                if (cryptoStream != null)                {                    cryptoStream.Close();                    cryptoStream = null;                }                if (provider != null)                {                    provider.Clear();                }            }        }    }

 

 

非對稱式加密解密樣本

如果對檔案的安全性要求不是很嚴格，只是控制檔案在傳輸中的完整性，可以用散列演算法算出一個檔案的散列，然後用非對稱演算法加密並把加密後的資訊附加於檔案中，接收方使用收到的檔案中的散列驗證檔案的完整性，同時也能確認檔案的寄件者，即實現了簡單的檔案簽名的功能。

 

下面樣本示範了如何使用RSACryptoServiceProvider類加密一個字串。其中，ExpertParameter(bool)方法根據參數的真假允許獲得公開金鑰/私密金鑰對（true）或只有公開金鑰（false）。

 

 

using System;using System.Text;using System.Security.Cryptography;class Program{    static void Main()    {        string sMsg = "The message to encrypt!";        string sEnc, sDec;        Encoding utf = new UTF8Encoding();        RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider();        RSAParameters publicKey = rsa.ExportParameters(false);        RSAParameters publicAndPrivateKey = rsa.ExportParameters(true);        {            RSACryptoServiceProvider rsaEncryptor = new            RSACryptoServiceProvider();            rsaEncryptor.ImportParameters(publicKey);            byte[] bMsg = utf.GetBytes(sMsg);            byte[] bEnc = rsaEncryptor.Encrypt(bMsg, false);            sEnc = Convert.ToBase64String(bEnc);        }        {            RSACryptoServiceProvider rsaDecryptor = new            RSACryptoServiceProvider();            rsaDecryptor.ImportParameters(publicAndPrivateKey);            byte[] bEnc = Convert.FromBase64String(sEnc);            byte[] bDec = rsaDecryptor.Decrypt(bEnc, false);            sDec = utf.GetString(bDec);        }        Console.WriteLine("Message : " + sMsg);        Console.WriteLine("Encrypted: " + sEnc);        Console.WriteLine("Decrypted: " + sDec);    }}

 

雜湊計算樣本

以下以MD5演算法計算雜湊值為例，給出簡單樣本。

        public string MD5Crypto(string input)        {            MD5 md5Hasher = null;            try            {                // 建立? MD5CryptoServiceProvider 對象U的I執行個體a                md5Hasher = MD5.Create();                //計算Z哈u希o代a碼                byte[] data = md5Hasher.ComputeHash(Encoding.Default.GetBytes(input));                StringBuilder sBuilder = new StringBuilder();                for (int i = 0; i < data.Length; i++)                {                    sBuilder.Append(data[i].ToString("X2"));                }                return sBuilder.ToString();            }            finally            {                if (md5Hasher != null)                {                    md5Hasher.Clear();                    md5Hasher.Dispose();                    md5Hasher = null;                }            }        }