20181223何家豪 实验一-密码引擎-加密API研究

目录

• 研究学习密码引擎API
  • Crypto API
    • 摘要
    • 对称加密
    • 对称解密
  • PKCS#11
    • 架构
    • 会话状态
    • 对象
    • 机制
    • 操作
    • 调用流程
  • GMT 0016-2012
    • 商用密码行业标准的分类
      • 基础类标准
      • 检测类标准
      • 管理类标准
      • 应用类标准
    • 关于商用密码强制性国家标准和推荐性国家标准、行业标准
  • 智能密码钥匙密码应用接口规范
  • GMT 0018-2012
• 总结这些API在编程中的使用方式
• 列出这些API包含的函数，进行分类，并总结它们的异同
• 龙脉GM3000Key接口调用

研究学习密码引擎API

Crypto API

微软公司
作为一部分 Microsoft Windows 提供的应用程序编程接口 (API)，CryptoAPI 提供了一组函数。这些函数允许应用程序在对用户的敏感私钥数据提供保护时，以灵活的方式对数据进行加密或数字签名。实际的加密操作是由称为加密服务提供程序 (CSP) 的独立模块执行。

摘要

可以按照如下顺序调用接口实现摘要：

BOOL CryptAcquireContext (
HCRYPTPROV* phProv,
LPCTSTR pszContainer,
LPCTSTR pszProvider,
DWORD dwProvType,
DWORD dwFlags
)

摘要运算的第一步要调用CryptAcquireContext方法。实际上，下面介绍的每一个密码运算基本都要先通过调用此方法，设置相应的密码运算参数，并返回相应的CSP句柄，用于后面的运算。phProv是返回的CSP句柄；pszContainer是要使用的密钥是在容器；摘要运算不涉及密钥，所以这里设置为NULL；pszProvider为使用到的CSP的名称，如果设置为NULL，则CryptAcquireContext会调用系统缺省CSP；dwProvType为所使用的CSP的类型，一般这里设置为PROV_RSA_FULL（0x1）；dwFlags为标志值，如果是涉及到私钥的运算，如签名或解密，应设置为0，但如果是摘要、加密或验证等不涉及私钥的运算，强烈不建议这里设置成0，而应设置成CRYPT_VERIFYCONTEXT（0xF0000000），就是告诉Windows接下来的密码运算是不会访问私钥的。这样做的原因是，在实际应用中，摘要、加密或验证一般采取软实现的方式，尤其是加密和验证，即采用Windows自带的CSP。这种情况下，如果dwFlags设置成0，Windows的CSP会试图访问其私钥存储区域。而Windows CSP保护其私钥存储区域的口令是使用Windows系统管理员账户的口令加密的。因此，如果用户修改过Windows系统管理员账户的口令，那么其保护私钥存储区域的口令将无法解密，就会造成已经存在的私钥存储区域访问失败，传导到上层的CryptAcquireContext方法失败。因此，为了减少上述不必要的麻烦，切记这里的dwFlags参数如无必须，应设置成CRYPT_VERIFYCONTEXT。
此方法调用成功返回true（-1），否则返回false（0），并可以调用GetLastError返回具体错误信息。

BOOL CryptCreateHash(
HCRYPTPROV hProv,
ALG_ID Algid,
HCRYPTKEY hKey,
DWORD dwFlags,
HCRYPTHASH *phHash
)

调用此方法生成一个摘要运算的对象。hProv为上一步返回的CSP句柄；Algid为摘要算法，比如可以是CALG_SHA1；hKey和dwFlags都设置成0；phHash为返回的摘要运算对象。返回值同上。

BOOL CryptHashData(
HCRYPTHASH hHash,
BYTE* pbData,
DWORD dwDataLen,
DWORD dwFlags
)

调用CryptHashData方法进行摘要运算。phHash为上一步返回的摘要运算对象；pbData为原文；dwDataLen为原文长度；dwFlags为0。方法返回值同上。

BOOL CryptGetHashParam(
HCRYPTHASH hHash,
DWORD dwParam,
BYTE *pbData,
DWORD *pdwDataLen,
DWORD dwFlags
)

调用CryptGetHashParam可以返回摘要的各种相关数据信息，这里先返回摘要的数据长度。dwParam设置为HP_HASHSIZE（0x0004）；pbData为返回长度值；pdwDataLen为长度值所占字节数；dwFlags为0。调用成功后，再调用一次CryptGetHashParam方法返回摘要值。这次dwParam设置为HP_HASHVAL（0x0002）；按照上一次调用返回的长度值为pbData分配空间，它返回的摘要值。

对称加密

对称加密中常用的方式是根据用户输入的口令加解密文档，即基于口令派生出加解密密钥，调用步骤如下。

CryptAcquireContext
返回CSP句柄，参数设置与摘要运算时一致。
CryptCreateHash
生成摘要运算对象。
CryptHashData
生成摘要。pbData为调用加密功能的上位程序输入的加密口令。

BOOL CryptDeriveKey(
HCRYPTPROV hProv,
ALG_ID Algid,
HCRYPTHASH hBaseData,
DWORD dwFlags,
HCRYPTKEY* phKey
)

派生密钥。Algid为加密算法，比如CALG_DES、CALG_3DES什么的；hBaseData就是上一步返回的摘要对象；dwFlags是密钥类型，如果调用的CSP没有特别要求，设置为0；phKey为返回的密钥对象。
也可以调用CryptGenKey生成一个会话密钥，用来加密数据，而这个会话密钥可以使用数据接收者的公钥加密传输。不过这种方式实际已经包含在非对称加解密中，因此很少直接拿来用。

BOOL CryptSetKeyParam(
HCRYPTKEY hKey,
DWORD dwParam,
BYTE* pbData,
DWORD dwFlags
)

设置密钥参数。如果采用的是RC2RC4等流加密算法，这一步可以省略。如果采用的是分组加密算法，那应该在这一步设置加密模式等参数。比如

CryptSetKeyParam(hKey, KP_MODE, CRYPT_MODE_CBC, 0);//设置成CBC模式
CryptSetKeyParam(hKey, KP_IV, pbIV, 0);//设置初始向量
BOOL CryptEncrypt(
HCRYPTKEY hKey,
HCRYPTHASH hHash,
BOOL Final,
DWORD dwFlags,
BYTE *pbData,
DWORD *pdwDataLen,
DWORD dwBufLen);

调用CryptEncrypt进行加密。hHash可以传NULL，除非加密的同时还要对原数据进行摘要运算；我们可以多次调用CryptEncrypt对原文分块进行加密，因此参数Final为true时表示没有分块加密或当前是最后一块加密，否则为false。要注意的是，这里的分块和分组加密里的分组是不同的概念，分组是加密算法本身的处理过程，而这里的分块是调用加密功能的业务逻辑，它们处于不同的层面。但分块长度必须是分组长度的整数倍；dwFlags传0；pbData传原文，调用后输出密文；pdwDataLen为要加密原文长度，调用后返回密文长度；dwBufLen是为pbData分配的缓冲区长度，在采用分组加密的情况先，密文长度会比明文长度长一些，所以dwBufLen的值应该设置的足够大，以满足返回加密结果的要求。一般的做法是调用两次CryptEncrypt，第一次调用时pbData传NULL，dwBufLen传0，调用后pdwDataLen输出密文所需长度；第二次调用时 dwBufLen设置的值不小于第一次调用后pdwDataLen即可。
此方法同样调用成功返回true，否则返回false，并可以调用GetLastError返回具体错误信息。

对称解密

对称解密与加密相对应，调用顺序和参数设置基本一致。

CryptAcquireContext
CryptCreateHash
CryptHashData
CryptDeriveKey
CryptSetKeyParam
BOOL CryptDecrypt(
HCRYPTKEY hKey,
HCRYPTHASH hHash,
BOOL Final,
DWORD dwFlags,
BYTE *pbData,
DWORD *pdwDataLen
)

此方法前四个参数意义与CryptEncrypt相同；pbData输入密文，调用后输出明文；pdwDataLen输入为密文长度，调用后输出明文长度。此方法返回值与CryptEncrypt一致。
另外，对同一数据的加密和解密可以采用不同的分块方式。比如，加密时不分块，解密时分块，不影响最后的解密结果。

PKCS#11

RSA公司
PKCS#11标准定义了与密码令牌（如硬件安全模块（HSM）和智能卡）的独立于平台的API，并将API本身命名为“Cryptoki”（来自“加密令牌接口”，发音为“crypto-key” - 但是“PKCS#11”通常用于指代API以及定义它的标准）。 API定义了最常用的加密对像类型（RSA密钥，X.509证书，DES / 三重DES密钥等）以及使用，创建/生成，修改和删除这些对象所需的所有功能。

架构

会话状态

对象

机制

根据机制标记，可以分为几类：

• CKF_ENCRYPT：加密类
• CKF_DECRYPT：解密类
• CKF_DIGEST：摘要类
• CKF_SIGN：签名类
• CKF_SIGN_RECOVER：可恢复签名类
• CKF_VERIFY：验证类
• CKF_VERIFY_RECOVER：可恢复验证类
• CKF_GENERATE：密钥产生
• CKF_GENERATE_KEY_PAIR：密钥对产生
• CKF_WRAP：密钥封装
• CKF_UNWRAP：密钥解封
• CKF_DERIVE：密钥派生

操作

调用流程

GMT 0016-2012

中国商用密码标准

商用密码行业标准的分类

当前,商用密码的行业标准分为基础类标准、应用类标准、检测类标准和管理类标准。

基础类标准

基础类标准为其他三类标准提供了底层、共性支撑(如术语、算法、协议、产品等);

检测类标准

检测类标准为基础类标准和应用类标准提供了合法性检测的功能,保障商用密码使用的合法性;

管理类标准

管理类标准为其他三类标准提供了管理功能;

应用类标准

应用类标准为上层具体的密码产品、服务应用提供支持。

关于商用密码强制性国家标准和推荐性国家标准、行业标准

我国标准按照实施效力分为强制性标准和推荐性标准。强制性标准仅有国家标准一级。推荐性标准包括推荐性国家标准和行业标准。也就是说,商用密码行业标准都是推荐性标准。

强制性标准必须执行,不符合强制性标准的产品、服务,不得生产、销售、进口或者提供。违反强制性标准的,依法承担相应的法律责任。

国家鼓励采用推荐性标准,即从业单位自愿采用推荐性标准。同时国家还会采取一些正向激励措施,鼓励企业采用推荐性标准。但在有些情况下,推荐性标准的效力会发生转化,必须执行,例如:

1. 推荐性标准被相关法律、法规、规章等引用,则该推荐性标准具有相应的强制约束力,应当按照法律、法规、规章的相关规定予以实施。
2. 推荐性标准被企业进行了自我声明公开的,企业必须执行该推荐性标准。企业生产的产品与明示标准不一致的,根据《产品质量法》等法律法规承担相应的法律责任。
3. 推荐性标准被合同双方作为产品或服务交付的质量依据的,该推荐性标准对合同双方具有约束力,双方必须执行该推荐性标准,并依据《合同法》的规定承担法律责任。

智能密码钥匙密码应用接口规范

国家密码管理局2010年4月22日发布《智能IC卡及智能密码钥匙密码应用接口规范》,自发布之日起施行。

GMT 0018-2012

密码设备应用接口规范等

下列缩略语适用于本部分：

• ECC：椭圆曲线算法(Elliptic Curve Cryptography)
• IPK：内部加密公钥(Internal Public Key)
• ISK：内部加密私钥(Internal Private Key)
• EPK:外部加密公钥(External Public Key)
• KEK:密钥加密密钥(Key Encrypt Key)

GM/T 0006设备定义信息如下：

实际数字结构定义：

typedef struct DeviceInfo_st{
unsigned char IssuerName[40];
unsigned char DeviceName[16];
unsigned char DeviceSerial[16];
unsigned int DeviceVersion;
unsigned int StandardVersion;
unsigned int AsymAlgAbility[2];
unsigned int SymAlgAbility;
unsigned int HashAlgAbility;
unsigned int BufferSize;
}DEVICEINFO;

GB/T 0018-2012

**# define RSAref_MAX_BIT S2048
**# define RSAref_MAX_LEN
((RSAref_MAX_BITS+7)/8)
**# define RSAref_MAX_PBITS
((RSAref_MAX_BITS+1)/2)
**#define RSAref_MAX_PLEN
((RSAref_MAX_PBITS+7)/8)
typedef struct RSArefPublicKey_st
unsigned int bits;
unsigned char m[RSAref_MAX_LEN];
unsigned char e[RSAref_MAX_LEN];
}RSArefPublicKey;
typedef struct RSArefPrivateKey_st
{
unsigned int bits;
unsigned char m[RSAref_MAX_LEN];
unsigned char e[RSAref_MAX_LEN];
unsigned char d[RSAref_MAX_LEN];
unsigned char prime[2][RSAref_MAX_PLEN]; unsigned char pexp[2][RSAref_MAX_PLEN]; unsigned char coef RSArefMAX_PLEN];
}RSArefPrivateKey;

ECC加密如下：

总结这些API在编程中的使用方式

作为一个编程初学者来说，API函数也许是一个时常耳闻却感觉有些神秘的东西。单看它的复杂语法，就足令人望而生畏，但是任何事物在我们深入了解它之前，总是会有这种感觉的。我们这篇API入门教程的目的，就是要把API函数的来龙去脉告诉大家，破除对API函数的畏惧，使它成为我们编程的好助手。
大家可能在许多书上看到过API的英文全称(Application Programming Interface)，WIN32 API也就是MicrosoftWindows 32位平台的应用程序编程接口。对这个定义的理解，需要追溯到操作系统的发展历史上，当WINDOWS操作系统开始占据主导地位的时候，开发WINDOWS平台下的应用程序成为人们的需要。而在WINDOWS程序设计领域处于发展的初期，WINDOWS程序员所能使用的编程工具唯有API函数，这些函数是WINDOWS提供给应用程序与操作系统的接口，他们犹如“积木块”一样，可以搭建出各种界面丰富，功能灵活的应用程序。所以可以认为API函数是构筑整个WINDOWS框架的基石，在它的下面是WINDOWS的操作系统核心，而它的上面则是所有的华丽的WINDOWS应用程序。
但是，那时的WINDOWS程序开发还是比较复杂的工作，程序员必须熟记一大堆常用的API函数，而且还得对WINDOWS操作系统有深入的了解。然而随着软件技术的不断发展，在WINDOWS平台上出现了很多优秀的可视化编程环境，程序员可以采用“即见即所得”的编程方式来开发具有精美用户界面和功能强大的应用程序。
这些优秀可视化编程环境操作简单、界面友好（诸如VB、VC++、DELPHI等），在这些工具中提供了大量的类库和各种控件，它们替代了API的神秘功能，事实上这些类库和控件都是构架在WIN32 API函数基础之上的，是封装了的API函数的集合。它们把常用的API函数的组合在一起成为一个控件或类库，并赋予其方便的使用方法，所以极大的加速了WINDOWS应用程序开发的过程。有了这些控件和类库，程序员便可以把主要精力放在程序整体功能的设计上，而不必过于关注技术细节。
实际上如果我们要开发出更灵活、更实用、更具效率的应用程序，必然要涉及到直接使用API函数，虽然类库和控件使应用程序的开发简单的多，但它们只提供WINDOWS的一般功能，对于比较复杂和特殊的功能来说，使用类库和控件是非常难以实现的，这时就需要采用API函数来实现。
这也是API函数使用的场合，所以我们对待API函数不必刻来研究每一个函数的用法，那也是不现实的(能用的到的API函数有几千个呢)。正如某位大虾所说：API不要去学，在需要的时候去查API帮助就足够了。

所谓API本来是为C和C++程序员写的。API说来说去，就是一种函数，他们包含在一个附加名为DLL的动态连接库文件中。用标准的定义来讲，API就是Windows的32位应用程序编程接口，是一系列很复杂的函数，消息和结构，它使编程人员可以用不同类型的编程语言编制出的运行在Windows95和Windows NT操作系统上的应用程序。可以说，如果你曾经学过VC，那么API对你来说不是什么问题。但是如果你没有学过VC，或者你对Windows95的结构体系不熟悉，那么可以说，学习API将是一件很辛苦的事情。

如果你打开WINDOWS的SYSTEM文件夹，你可以发现其中有很多附加名为DLL的文件。一个DLL中包含的API函数并不只是一个，数十个，甚至是数百个。我们能都掌握它嘛?回答是否定的∶不可能掌握。但实际上，我们真的没必要都掌握，只要重点掌握Windos系统本身自带的API函数就可以了。但，在其中还应当抛开掉同VB本身自有的函数重复的函数。如，VB
的etAttr命令可以获得文件属性，SetAttr可以设置文件属性。对API来讲也有对应的函数
GetFileAttributes和SetFileAttributes，性能都差不多。如此地一算，剩下来的也就5、600个。是的，也不少。但，我可以敢跟你说，只要你熟悉地掌握100个，那么你的编程水平比现在高出至少要两倍。尽管人们说VB和WINDOWS具有密切的关系，但我认为，API更接近
WINDOWS。如果你学会了API，首要的收获便是对WINDOWS体系结构的认识。这个收获是来自不易的。

API是预先定义的接口，以供程序员调用。是一套用来控制系统各个部件的预先定义的函数。操作方式如下：

1. 在C++调用系统API之前需要声明相应的头文件。这里使用系统函数 MessageBoxA ，对应头文件： ”windows.h“。
2. 使用尖括号，编译器会先在include目录搜索该头文件；如果未找到，才会在源代码所在目录搜索。使用双引号则相反，会先在源代码目录搜索；通常用于包含程序作者自行编写的头文件。
3. 可以在第三部的图中看到 MessageBoxA 函数包含四个参数。函数括号内部为参数，每个参数之间用英文逗号隔开。当鼠标指在函数上时，会出现函数说明信息。
4. 参数中的NULL为常量0，代表不设置或默认设置。也可以不使用常量，直接写作0。

列出这些API包含的函数，进行分类，并总结它们的异同

整个操作系统分为用户空间和内核空间。
用户空间：顾名思义，用户可以访问的内存空间。
内核空间：只有操作系统可以访问，这是为了安全，所以屏蔽了用户空间。
但是用户又要与内核进行交互，怎么办呢。操作系统设置了系统调用函数，方便用户使用。也就是说，用户进入内核空间的唯一途径就是通过系统调用，当然，还有一些间接地方法，但是最终都是通过系统调用来执行函数，完成相应的功能。
API函数：类似于驱动函数，对应于多个系统调用函数以完成一定的功能。
所以API实际上是提供了一个接口，功能比系统调用复杂，使用也简单
例如：要复制一个文件的内容到另一个文件，API接口可能只要一个函数COPY（），提供特定的参数，源文件和目标文件，以及读取文件的长度等，就可以完成功能。但是这个函数需要调用很多系统调用。像打开源文件，读源文件内容，创建目标文件等等。
那么很自然的应用程序员更喜欢用API函数，因为它简单，方便。系统调用复杂。
同时API方便调用

龙脉GM3000Key接口调用

1、CSP接口标准

微软的加密应用接口，专为WIN32应用程序设计。

CryptoAPI本身不实现密码运算相关操作，而是操作系统通过调用CryptoSPI函数接口相应的加密服务提供者函数（CSP）来实现。

CSP的主要概念为：

容器（key container）、sessionkey、hashobject。

CSP是通过容器来组织密钥。一个容器可以存放两个RSA密钥对，一个用于签名验证，一个用于加解密。此外每个用户在加密对话期间还会随机产生许多会话密钥，CSP比较简单，只有23个函数。

2、P11接口标准

RSA实验室开发的，有跨平台的特性。

是PKCS的一部分，特指密码设备的因公编程接口，PKCS#11标准称为CryptoKi，是一个较底层的编程接口。

P11的主要概念是：令牌、会话、槽和对象。

P11没有容器概念，它对密钥数据的保存和组织主要通过对象，P11定义了三种对象类型：数据对象，证书对象和密钥对象。

3、SKF

SKF接口是国密标准中智能密码钥匙的C语言应用开发接口标准。

目前很多国内密码设备厂商都为其产品提供了SKF接口的开发包，开发者可以通过统一的SKF接口开发密码应用，访问来自不同设备供应商的USB-Key、TF卡、智能卡等不同形态的密码设备，而无需和某一个设备供应商的专属设备或专属接口绑定。