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  • .NET中加密和解密的实现方法

    .NET将原来独立的API和SDK合并到一个框架中,这对于程序开发人员非常有利。它将CryptoAPI改编进.NET的System.Security.Cryptography名字空间,使密码服务摆脱了SDK平台的神秘性,变成了简单的.NET名字空间的使用。由于随着整个框架组件一起共享,密码服务更容易实现了,现在仅仅需要学习System.Security.Cryptography名字空间的功能和用于解决特定方案的类。

      加密和解密的算法

      System.Security.Cryptography名字空间包含了实现安全方案的类,例如加密和解密数据、管理密钥、验证数据的完整性并确保数据没有被篡改等等。本文重点讨论加密和解密。

      加密和解密的算法分为对称(symmetric)算法和不对称(asymmetric)算法。对称算法在加密和解密数据时使用相同的密钥和初始化矢量,典型的有DES、 TripleDES和Rijndael算法,它适用于不需要传递密钥的情况,主要用于本地文档或数据的加密。不对称算法有两个不同的密钥,分别是公共密钥和私有密钥,公共密钥在网络中传递,用于加密数据,而私有密钥用于解密数据。不对称算法主要有RSA、DSA等,主要用于网络数据的加密。

      加密和解密本地文档

      下面的例子是加密和解密本地文本,使用的是Rijndael对称算法。

      对称算法在数据流通过时对它进行加密。因此首先需要建立一个正常的流(例如I/O流)。文章使用FileStream类将文本文件读入字节数组,也使用该类作为输出机制。

      接下来定义相应的对象变量。在定义SymmetricAlgorithm抽象类的对象变量时我们可以指定任何一种对称加密算法提供程序。代码使用的是Rijndael算法,但是很容易改为DES或者TripleDES算法。.NET使用强大的随机密钥设置了提供程序的实例,选择自己的密钥是比较危险的,接受计算机产生的密钥是一个更好的选择,文中的代码使用的是计算机产生的密钥。

      下一步,算法实例提供了一个对象来执行实际数据传输。每种算法都有CreateEncryptor和CreateDecryptor两个方法,它们返回实现ICryptoTransform接口的对象。

      最后,现在使用BinaryReader的ReadBytes方法读取源文件,它会返回一个字节数组。BinaryReader读取源文件的输入流,在作为CryptoStream.Write方法的参数时调用ReadBytes方法。指定的CryptoStream实例被告知它应该操作的下层流,该对象将执行数据传递,无论流的目的是读或者写。

      下面是加密和解密一个文本文件的源程序片断:

    namespace com.billdawson.crypto
    {
    class TextFileCrypt
    {
    public static void Main(string[] args)
    {
    string file = args[0];
    string tempfile = Path.GetTempFileName();
    //打开指定的文件
    FileStream fsIn = File.Open(file,FileMode.Open,
    FileAccess.Read);
    FileStream fsOut = File.Open(tempfile, FileMode.Open,
    FileAccess.Write);
    //定义对称算法对象实例和接口
    SymmetricAlgorithm symm = new RijndaelManaged();
    ICryptoTransform transform = symm.CreateEncryptor();
    CryptoStream cstream = new CryptoStream(fsOut,transform,
    ryptoStreamMode.Write);

    BinaryReader br = new BinaryReader(fsIn);
    // 读取源文件到cryptostream
    cstream.Write(br.ReadBytes((int)fsIn.Length),0,(int)fsIn.Length);
    cstream.FlushFinalBlock();
    cstream.Close();
    fsIn.Close();
    fsOut.Close();

    Console.WriteLine("created encrypted file {0}", tempfile);
    Console.WriteLine("will now decrypt and show contents");

    // 反向操作--解密刚才加密的临时文件
    fsIn = File.Open(tempfile,FileMode.Open,FileAccess.Read);
    transform = symm.CreateDecryptor();
    cstream = new CryptoStream(fsIn,transform,
    CryptoStreamMode.Read);

    StreamReader sr = new StreamReader(cstream);
    Console.WriteLine("decrypted file text: " + sr.ReadToEnd());
    fsIn.Close();
    }
    }

    }
    加密网络数据

      如果我有一个只想自己看到的文档,我不会简单的通过e-mail发送给你。我将使用对称算法加密它;如果有人截取了它,他们也不能阅读该文档,因为他们没有用于加密的唯一密钥。但是你也没有密钥。我需要使用某种方式将密钥给你,这样你才能解密文档,但是不能冒密钥和文档被截取的风险。

      非对称算法就是一种解决方案。这类算法使用的两个密钥有如下关系:使用公共密钥加密的信息只能被相应的私有密钥解密。因此,我首要求你给我发送你的公共密钥。在发送给我的途中可能有人会截取它,但是没有关系,因为他们只能使用该密钥给你的信息加密。我使用你的公共密钥加密文档并发送给你。你使用私有密钥解密该文档,这是唯一可以解密的密钥,并且没有通过网络传递。

      不对称算法比对称算法计算的花费多、速度慢。因此我们不希望在线对话中使用不对称算法加密所有信息。相反,我们使用对称算法。下面的例子中我们使用不对称加密来加密对称密钥。接着就使用对称算法加密了。实际上安全接口层(SSL)建立服务器和浏览器之间的安全对话使用的就是这种工作方式。
    示例是一个TCP程序,分为服务器端和客户端。服务器端的工作流程是:

       从客户端接收公共密钥。

       使用公共密钥加密未来使用的对称密钥。

       将加密了的对称密钥发送给客户端。

       给客户端发送使用该对称密钥加密的信息。

      代码如下:

    namespace com.billdawson.crypto
    {
    public class CryptoServer
    {
    private const int RSA_KEY_SIZE_BITS = 1024;
    private const int RSA_KEY_SIZE_BYTES = 252;
    private const int TDES_KEY_SIZE_BITS = 192;

    public static void Main(string[] args)
    {
    int port;
    string msg;
    TcpListener listener;
    TcpClient client;
    SymmetricAlgorithm symm;
    RSACryptoServiceProvider rsa;
    //获取端口
    try
    {
    port = Int32.Parse(args[0]);
    msg = args[1];
    }
    catch
    {
    Console.WriteLine(USAGE);
    return;
    }
    //建立监听
    try
    {
    listener = new TcpListener(port);
    listener.Start();
    Console.WriteLine("Listening on port {0}...",port);

    client = listener.AcceptTcpClient();
    Console.WriteLine("connection....");
    }
    catch (Exception e)
    {
    Console.WriteLine(e.Message);
    Console.WriteLine(e.StackTrace);
    return;
    }

    try
    {
    rsa = new RSACryptoServiceProvider();
    rsa.KeySize = RSA_KEY_SIZE_BITS;

    // 获取客户端公共密钥
    rsa.ImportParameters(getClientPublicKey(client));

    symm = new TripleDESCryptoServiceProvider();
    symm.KeySize = TDES_KEY_SIZE_BITS;

    //使用客户端的公共密钥加密对称密钥并发送给客。
    encryptAndSendSymmetricKey(client, rsa, symm);

    //使用对称密钥加密信息并发送
    encryptAndSendSecretMessage(client, symm, msg);
    }
    catch (Exception e)
    {
    Console.WriteLine(e.Message);
    Console.WriteLine(e.StackTrace);
    }
    finally
    {
    try
    {
    client.Close();
    listener.Stop();
    }
    catch
    {
    //错误
    }
    Console.WriteLine("Server exiting...");
    }
    }

    private static RSAParameters getClientPublicKey(TcpClient client)
    {
    // 从字节流获取串行化的公共密钥,通过串并转换写入类的实例
    byte[] buffer = new byte[RSA_KEY_SIZE_BYTES];
    NetworkStream ns = client.GetStream();
    MemoryStream ms = new MemoryStream();
    BinaryFormatter bf = new BinaryFormatter();
    RSAParameters result;

    int len = 0;
    int totalLen = 0;

    while(totalLen (len = ns.Read(buffer,0,buffer.Length))>0)
    {
    totalLen+=len;
    ms.Write(buffer, 0, len);
    }

    ms.Position=0;

    result = (RSAParameters)bf.Deserialize(ms);
    ms.Close();

    return result;

    }

    private static void encryptAndSendSymmetricKey(
    TcpClient client,
    RSACryptoServiceProvider rsa,
    SymmetricAlgorithm symm)
    {
    // 使用客户端的公共密钥加密对称密钥
    byte[] symKeyEncrypted;
    byte[] symIVEncrypted;

    NetworkStream ns = client.GetStream();

    symKeyEncrypted = rsa.Encrypt(symm.Key, false);
    symIVEncrypted = rsa.Encrypt(symm.IV, false);

    ns.Write(symKeyEncrypted, 0, symKeyEncrypted.Length);
    ns.Write(symIVEncrypted, 0, symIVEncrypted.Length);

    }

    private static void encryptAndSendSecretMessage(TcpClient client,
    SymmetricAlgorithm symm,
    string secretMsg)
    {
    // 使用对称密钥和初始化矢量加密信息并发送给客户端
    byte[] msgAsBytes;
    NetworkStream ns = client.GetStream();
    ICryptoTransform transform =
    symm.CreateEncryptor(symm.Key,symm.IV);
    CryptoStream cstream =
    new CryptoStream(ns, transform, CryptoStreamMode.Write);

    msgAsBytes = Encoding.ASCII.GetBytes(secretMsg);

    cstream.Write(msgAsBytes, 0, msgAsBytes.Length);
    cstream.FlushFinalBlock();
    }
    }

    客户端的工作流程是:

       建立和发送公共密钥给服务器。

       从服务器接收被加密的对称密钥。

       解密该对称密钥并将它作为私有的不对称密钥。

       接收并使用不对称密钥解密信息。

      代码如下:

    namespace com.billdawson.crypto
    {
    public class CryptoClient
    {
    private const int RSA_KEY_SIZE_BITS = 1024;
    private const int RSA_KEY_SIZE_BYTES = 252;
    private const int TDES_KEY_SIZE_BITS = 192;
    private const int TDES_KEY_SIZE_BYTES = 128;
    private const int TDES_IV_SIZE_BYTES = 128;
    public static void Main(string[] args)
    {
    int port;
    string host;
    TcpClient client;
    SymmetricAlgorithm symm;
    RSACryptoServiceProvider rsa;

    if (args.Length!=2)
    {
    Console.WriteLine(USAGE);
    return;
    }

    try
    {
    host = args[0];
    port = Int32.Parse(args[1]);
    }
    catch
    {
    Console.WriteLine(USAGE);
    return;
    }

    try //连接
    {
    client = new TcpClient();
    client.Connect(host,port);
    }
    catch(Exception e)
    {
    Console.WriteLine(e.Message);
    Console.Write(e.StackTrace);
    return;
    }

    try
    {
    Console.WriteLine("Connected. Sending public key.");
    rsa = new RSACryptoServiceProvider();
    rsa.KeySize = RSA_KEY_SIZE_BITS;
    sendPublicKey(rsa.ExportParameters(false),client);
    symm = new TripleDESCryptoServiceProvider();
    symm.KeySize = TDES_KEY_SIZE_BITS;

    MemoryStream ms = getRestOfMessage(client);
    extractSymmetricKeyInfo(rsa, symm, ms);
    showSecretMessage(symm, ms);
    }
    catch(Exception e)
    {
    Console.WriteLine(e.Message);
    Console.Write(e.StackTrace);
    }
    finally
    {
    try
    {
    client.Close();
    }
    catch { //错误
    }
    }
    }

    private static void sendPublicKey(
    RSAParameters key,
    TcpClient client)
    {
    NetworkStream ns = client.GetStream();
    BinaryFormatter bf = new BinaryFormatter();
    bf.Serialize(ns,key);
    }

    private static MemoryStream getRestOfMessage(TcpClient client)
    {
    //获取加密的对称密钥、初始化矢量、秘密信息。对称密钥用公共RSA密钥
    //加密,秘密信息用对称密钥加密
    MemoryStream ms = new MemoryStream();
    NetworkStream ns = client.GetStream();
    byte[] buffer = new byte[1024];

    int len=0;

    // 将NetStream 的数据写入内存流
    while((len = ns.Read(buffer, 0, buffer.Length))>0)
    {
    ms.Write(buffer, 0, len);
    }
    ms.Position = 0;
    return ms;
    }

    private static void extractSymmetricKeyInfo(
    RSACryptoServiceProvider rsa,
    SymmetricAlgorithm symm,
    MemoryStream msOrig)
    {
    MemoryStream ms = new MemoryStream();

    // 获取TDES密钥--它被公共RSA密钥加密,使用私有密钥解密
    byte[] buffer = new byte[TDES_KEY_SIZE_BYTES];
    msOrig.Read(buffer,0,buffer.Length);
    symm.Key = rsa.Decrypt(buffer,false);

    // 获取TDES初始化矢量
    buffer = new byte[TDES_IV_SIZE_BYTES];
    msOrig.Read(buffer, 0, buffer.Length);
    symm.IV = rsa.Decrypt(buffer,false);
    }

    private static void showSecretMessage(
    SymmetricAlgorithm symm,
    MemoryStream msOrig)
    {
    //内存流中的所有数据都被加密了
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int len = msOrig.Read(buffer,0,buffer.Length);

    MemoryStream ms = new MemoryStream();
    ICryptoTransform transform =
    symm.CreateDecryptor(symm.Key,symm.IV);
    CryptoStream cstream =new CryptoStream(ms, transform,
    CryptoStreamMode.Write);
    cstream.Write(buffer, 0, len);
    cstream.FlushFinalBlock();

    // 内存流现在是解密信息,是字节的形式,将它转换为字符串
    ms.Position = 0;
    len = ms.Read(buffer,0,(int) ms.Length);
    ms.Close();

    string msg = Encoding.ASCII.GetString(buffer,0,len);
    Console.WriteLine("The host sent me this secret message:");
    Console.WriteLine(msg);
    }
    }
    }

      结论

      使用对称算法加密本地数据时比较适合。在保持代码通用时我们可以选择多种算法,当数据通过特定的CryptoStream时算法使用转换对象加密该数据。需要将数据通过网络发送时,首先使用接收的公共不对称密钥加密对称密钥。


    namespace:ms-help://MS.VSCC.v80/MS.MSDN.v80/MS.NETDEVFX.v20.cht/cpref11/html/N_System_Security_Cryptography.htm
    加密和解密碼參考資料:http://www.xmlasp.net/c43.aspx

    申明

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