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Microsoft CryptoAPI加密技术(一)  

2008-10-31 09:30:10|  分类: 电脑基础知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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Microsoft CryptoAPI加密技术(一)
作者:Cuick

下载本文示例源代码

在这个信息爆炸的时代,我们不得不对信息的安全提高警惕。加密作为保障数据信息安全的一种方式,越来越受到人们的关注。
下面,我将把自己对Microsoft CryptoAPI的一些肤浅的理解与大家共享,有什么不妥之处望不吝赐教。

一、 加密方法:

当初,计算机的研究就是为了破解德国人的密码,人们并没有想到计算机给今天带来的信息革命。随着计算机的发展,运算能力的增强,密码学已经取得了巨大的进展。大体来说有以下几种形式。
1、 公用密钥加密技术
加密和解密使用不同的密钥,分别叫做“公钥”和“私钥”。顾名思义,“私钥”就是不能让别人知道的,而“公钥”就是可以公开的。这两个必须配对使用,用公钥加密的数据必须用与其对应的私钥才能解开。这种技术安全性高,得到广泛运用,但是效率太低。
2、 对称密钥加密技术
要求加密和解密过程使用相同的密钥,这样,密钥必须只能被加解密双方知道,否则就不安全。这种技术安全性不高,但是效率高。
3、 结合公用和对称密钥加密技术
公钥加密技术以速度为代价换取了高安全性,而对称加密以低安全换取高性能,所以另一种常见的加密方法就是结合以上两种技术。
用对称加密算法对数据进行加密,然后使用更安全的但效率更低的公钥加密算法对对称密钥进行加密。
4、 数字签名和鉴别
就是对已经加密的数据“签名”,这样接收者可以知道加密的数据的来源,以及是否被更改。

二、 CryptoAPI

微软的CryptoAPI是PKI推荐使用的加密 API。其功能是为应用程序开发者提供在Win32环境下使用加密、验证等安全服务时的标准加密接口。CryptoAPI处于应用程序和CSP(cryptographic service provider)之间(见图一)。
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CryptoAPI的编程模型同Windows系统的图形设备接口 GDI比较类似,其中加密服务提供者CSP等同于图形设备驱动程序 ,加密硬件(可选)等同于图形硬件,其上层的应用程序也类似,都不需要同设备驱动程序和硬件直接打交道。

CryptoAPI共有五部分组成:简单消息函数(Simplified Message Functions)、低层消息函数(Low-level Message Functions)、基本加密函数(Base Cryptographic Functions)、证书编解码函数(Certificate Encode/Decode Functions)和证书库管理函数(Certificate Store Functions)。其中前三者可用于对敏感信息进行加密或签名处理,可保证网络传输信心的私有性;后两者通过对证书的使用,可保证网络信息交流中的认证性。

三、 CSP

看到这里,大家也许对CSP还比较迷惑。其实CSP是真正实行加密的独立模块,他既可以由软件实现也可以由硬件实现。但是他必须符合CryptoAPI接口的规范。

每个CSP都有一个名字和一个类型。每个CSP的名字是唯一的,这样便于CryptoAPI找到对应的CSP。目前已经有9种CSP类型,并且还在增长。下表列出出它们支持的密钥交换算法、签名算法、对称加密算法和Hash算法。
(表一)

CSP类型 交换算法 签名算法 对称加密算法 Hash算法
PROV_RSA_FULL RSA RSA RC2
RC4
MD5
SHA
PROV_RSA_SIG none RSA none MD5
SHA
PROV_RSA_SCHANNEL RSA RSA RC4
DES
Triple DES
MD5
SHA
PROV_DSS DSS none DSS MD5
SHA
PROV_DSS_DH DH DSS CYLINK_MEK MD5
SHA
PROV_DH_SCHANNEL DH DSS DES
Triple DES
MD5
SHA
PROV_FORTEZZA KEA DSS Skipjack SHA
PROV_MS_EXCHANGE RSA RSA CAST MD5
PROV_SSL RSA RSA Varies Varies

从图一可以看到,每个CSP有一个密钥库,密钥库用于存储密钥。而每个密钥库包括一个或多个密钥容器(Key Containers)。每个密钥容器中含属于一个特定用户的所有密钥对。每个密钥容器被赋予一个唯一的名字。在销毁密钥容器前CSP将永久保存每一个密钥容器,包括保存每个密钥容器中的公/私钥对(见图二)。

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四、 创建密钥容器,得到CSP句柄

说了这么多只是一些理论性的东西,后面将详细介绍一下Microsoft CryptoAPI的使用方法。

我们已经提过,每一个CSP都有一个名字和一个类型,并且名字保证唯一。所以可以通过名字和类型得到一个CSP。然而,要想加密肯定需要密钥,那么密钥放哪里呢?对了,就放在密钥容器。(有人会问,密码库有什么用?其实密钥库是在安装CSP的时候已经存在了,他与CSP是相对应的。)但是密钥容器并不是一开始就存在的,需要用户去创建。下面的代码实现以上功能(得到CSP即密码容器)。

if(CryptAcquireContext(  &hCryptProv,               // 返回CSP句柄  UserName,                  // 密码容器名  NULL,                      // NULL时使用默认CSP名(微软RSA Base Provider)  PROV_RSA_FULL,             // CSP类型  0))                        // Flag values  {  //以UserName为名的密钥容器存在,那么我们已经得到了CSP的句柄      printf("A crypto context with the %s key container \n", UserName);      printf("has been acquired.\n\n");  }  else //如果密钥容器不存在,我们需要创建这个密钥容器  {      if(CryptAcquireContext(        &hCryptProv,         UserName,         NULL,         PROV_RSA_FULL,         CRYPT_NEWKEYSET)) //创建以UserName为名的密钥容器     {   //创建密钥容器成功,并得到CSP句柄        printf("A new key container has been created.\n");     }     else     {        HandleError("Could not create a new key container.\n");      }  } // End of else  
好了,我们已经创建了密钥容器,并得到了CSP的句柄。也可以这样理解,我们得到了一个CSP的句柄,并且它被绑定到以UserName为名的密钥容器上。嘿嘿……

那么,以后的加解密等操作,都将在这个CSP上进行。
可以如下删除密钥容器。
CryptAcquireContext(&hCryptProv, userName, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_DELETEKEYSET);

五、 一个文件加密的例子

看到这里肯定有人开始说了,“这么多废话,还不快讲怎么加密怎么解密!”您先别急,有些原理性的东西还是先了解了比较好,对以后的使用会有很大帮助。

言归正传,我们来看一段文件加密的代码。

#include <stdio.h>  #include <windows.h>  #include <wincrypt.h>  #define MY_ENCODING_TYPE  (PKCS_7_ASN_ENCODING | X509_ASN_ENCODING)  #define KEYLENGTH  0x00800000  void HandleError(char *s);    //--------------------------------------------------------------------  //  These additional #define statements are required.  #define ENCRYPT_ALGORITHM CALG_RC4   #define ENCRYPT_BLOCK_SIZE 8     //   Declare the function EncryptFile. The function definition  //   follows main.    BOOL EncryptFile(       PCHAR szSource,        PCHAR szDestination,        PCHAR szPassword);     //--------------------------------------------------------------------  //   Begin main.    void main(void)   {       CHAR szSource[100];       CHAR szDestination[100];       CHAR szPassword[100];          printf("Encrypt a file. \n\n");   printf("Enter the name of the file to be encrypted: ");   scanf("%s",szSource);   printf("Enter the name of the output file: ");   scanf("%s",szDestination);   printf("Enter the password:");   scanf("%s",szPassword);      //--------------------------------------------------------------------   // Call EncryptFile to do the actual encryption.      if(EncryptFile(szSource, szDestination, szPassword))   {    printf("Encryption of the file %s was a success. \n", szSource);    printf("The encrypted data is in file %s.\n",szDestination);   }   else   {    HandleError("Error encrypting file!");    }   } // End of main    //--------------------------------------------------------------------  //   Code for the function EncryptFile called by main.    static BOOL EncryptFile(        PCHAR szSource,         PCHAR szDestination,         PCHAR szPassword)        //--------------------------------------------------------------------        //   Parameters passed are:        //     szSource, the name of the input, a plaintext file.        //     szDestination, the name of the output, an encrypted file to be         //         created.        //     szPassword, the password.  {    //--------------------------------------------------------------------   //   Declare and initialize local variables.      FILE *hSource;    FILE *hDestination;       HCRYPTPROV hCryptProv;    HCRYPTKEY hKey;    HCRYPTHASH hHash;        PBYTE pbBuffer;    DWORD dwBlockLen;    DWORD dwBufferLen;    DWORD dwCount;       //--------------------------------------------------------------------   // Open source file.    if(hSource = fopen(szSource,"rb"))   {    printf("The source plaintext file, %s, is open. \n", szSource);   }   else   {     HandleError("Error opening source plaintext file!");   }      //--------------------------------------------------------------------   // Open destination file.    if(hDestination = fopen(szDestination,"wb"))   {    printf("Destination file %s is open. \n", szDestination);   }   else   {    HandleError("Error opening destination ciphertext file!");    }     //以下获得一个CSP句柄   if(CryptAcquireContext(    &hCryptProv,     NULL,    //NULL表示使用默认密钥容器,默认密钥容器名  //为用户登陆名    NULL,     PROV_RSA_FULL,     0))   {    printf("A cryptographic provider has been acquired. \n");   }   else   {    if(CryptAcquireContext(     &hCryptProv,      NULL,      NULL,      PROV_RSA_FULL,      CRYPT_NEWKEYSET))//创建密钥容器    {     //创建密钥容器成功,并得到CSP句柄     printf("A new key container has been created.\n");    }    else    {     HandleError("Could not create a new key container.\n");    }       }     //--------------------------------------------------------------------   // 创建一个会话密钥(session key)   // 会话密钥也叫对称密钥,用于对称加密算法。   // (注: 一个Session是指从调用函数CryptAcquireContext到调用函数   //   CryptReleaseContext 期间的阶段。会话密钥只能存在于一个会话过程)     //--------------------------------------------------------------------   // Create a hash object.    if(CryptCreateHash(    hCryptProv,     CALG_MD5,     0,     0,     &hHash))      {          printf("A hash object has been created. \n");      }      else      {     HandleError("Error during CryptCreateHash!\n");      }       //--------------------------------------------------------------------   // 用输入的密码产生一个散列   if(CryptHashData(    hHash,     (BYTE *)szPassword,     strlen(szPassword),     0))   {    printf("The password has been added to the hash. \n");   }   else   {    HandleError("Error during CryptHashData. \n");    }     //--------------------------------------------------------------------   // 通过散列生成会话密钥   if(CryptDeriveKey(    hCryptProv,     ENCRYPT_ALGORITHM,     hHash,     KEYLENGTH,     &hKey))   {    printf("An encryption key is derived from the password hash. \n");    }   else   {    HandleError("Error during CryptDeriveKey!\n");    }   //--------------------------------------------------------------------   // Destroy the hash object.       CryptDestroyHash(hHash);    hHash = NULL;       //--------------------------------------------------------------------   //  The session key is now ready.       //--------------------------------------------------------------------   // 因为加密算法是按ENCRYPT_BLOCK_SIZE 大小的块加密的,所以被加密的  // 数据长度必须是ENCRYPT_BLOCK_SIZE 的整数倍。下面计算一次加密的  // 数据长度。     dwBlockLen = 1000 - 1000 % ENCRYPT_BLOCK_SIZE;       //--------------------------------------------------------------------   // Determine the block size. If a block cipher is used,    // it must have room for an extra block.       if(ENCRYPT_BLOCK_SIZE > 1)     dwBufferLen = dwBlockLen + ENCRYPT_BLOCK_SIZE;    else     dwBufferLen = dwBlockLen;       //--------------------------------------------------------------------   // Allocate memory.    if(pbBuffer = (BYTE *)malloc(dwBufferLen))   {    printf("Memory has been allocated for the buffer. \n");   }   else   {     HandleError("Out of memory. \n");    }   //--------------------------------------------------------------------   // In a do loop, encrypt the source file and write to the source file.       do    {         //--------------------------------------------------------------------    // Read up to dwBlockLen bytes from the source file.     dwCount = fread(pbBuffer, 1, dwBlockLen, hSource);     if(ferror(hSource))    {      HandleError("Error reading plaintext!\n");    }        //--------------------------------------------------------------------    // 加密数据    if(!CryptEncrypt(     hKey,   //密钥     0,    //如果数据同时进行散列和加密,这里传入一个  //散列对象     feof(hSource), //如果是最后一个被加密的块,输入TRUE.如果不是输.         //入FALSE这里通过判断是否到文件尾来决定是否为  //最后一块。     0,    //保留     pbBuffer,  //输入被加密数据,输出加密后的数据     &dwCount,  //输入被加密数据实际长度,输出加密后数据长度     dwBufferLen)) //pbBuffer的大小。    {      HandleError("Error during CryptEncrypt. \n");     }         //--------------------------------------------------------------------    // Write data to the destination file.         fwrite(pbBuffer, 1, dwCount, hDestination);     if(ferror(hDestination))    {      HandleError("Error writing ciphertext.");    }       }    while(!feof(hSource));    //--------------------------------------------------------------------   //  End the do loop when the last block of the source file has been   //  read, encrypted, and written to the destination file.      //--------------------------------------------------------------------   // Close files.      if(hSource)     fclose(hSource);    if(hDestination)     fclose(hDestination);       //--------------------------------------------------------------------   // Free memory.       if(pbBuffer)     free(pbBuffer);       //--------------------------------------------------------------------   // Destroy session key.       if(hKey)     CryptDestroyKey(hKey);       //--------------------------------------------------------------------   // Destroy hash object.       if(hHash)     CryptDestroyHash(hHash);       //--------------------------------------------------------------------   // Release provider handle.       if(hCryptProv)     CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);   return(TRUE);   } // End of Encryptfile    //--------------------------------------------------------------------  //  This example uses the function HandleError, a simple error  //  handling function, to print an error message to the standard error   //  (stderr) file and exit the program.   //  For most applications, replace this function with one   //  that does more extensive error reporting.    void HandleError(char *s)  {      fprintf(stderr,"An error occurred in running the program. \n");      fprintf(stderr,"%s\n",s);      fprintf(stderr, "Error number %x.\n", GetLastError());      fprintf(stderr, "Program terminating. \n");      exit(1);  } // End of HandleError  
上面的代码来自MSDN,并作了修改。注释已经很详细了,这里就不赘述了,
解密与加密大同小异,大家可以自己看代码。

这次先写这么多,也许很多人觉得我写这些大家都知道,并且也太简单了。不要急慢慢来,嘿嘿:)接下来会有一些比较深入和实用的技术。

参考:
MSDN相关章节。
(注:如果代码编译不过,加入宏定义:_WIN32_WINNT=0x0400)

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