用CryptoAPI进行数据加密

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用CryptoAPI进行数据加密 南京理工大学计算机系
胡静 李蔚清

---- 因为过于复杂的加密算法实现起来非常困难,所以在过去,许多应用程序只能使用非常简单的加密技术,这样做的结果就是加密的数据很容易就可以被人破译。而使用Microsoft提供的加密应用程序接口(即Cryptography API),或称CryptoAPI,就可以方便地在应用程序中加入强大的加密功能,而不必考虑基本的算法。本文将对CryptoAPI及其使用的数据加密原理作一简单的介绍,然后给出了用CryptoAPI编写加密程序的大致步骤,最后以一个文件的加密、解密程序为例演示了CryptoAPI的部分功能。

---- 1. CryptoAPI简介

---- CryptoAPI是一组函数,为了完成数学计算,必须具有密码服务提供者模块(CSP)。Microsoft通过捆绑RSA Base Provider在操作系统级提供一个CSP,使用RSA公司的公钥加密算法,更多的CSP可以根据需要增加到应用中。事实上,CSP有可能与特殊硬件设备(如智能卡)一起来进行数据加密。CryptoAPI接口允许简单的函数调用来加密数据,交换公钥,散列一个消息来建立摘要以及生成数字签名。它还提供高级的管理操作,如从一组可能的CSP中使用一个CSP。此外,CryptoAPI还为许多高级安全性服务提供了基础,包括用于电子商务的SET,用于加密客户机/服务器消息的PCT,用于在各个平台之间来回传递机密数据和密钥的PFX,代码签名等等。CryptoAPI的体系结构如下图:

---- 目前支持CryptoAPI的Windows系统有:Windows 95 OSR2、Windows NT SP3及后续版本、Windows 98、Windows 2000等。CryptoAPI的配置信息存储在注册表中,包括如下密钥:

HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\ Microsoft \ Cryptography \Defaults HKEY_CURRENT_USER\ Software \ Microsoft \ Cryptography \Providers ---- 2.数据加密原理

---- 数据加密的流程如下图:

---- CryptoAPI使用两种密钥:会话密钥与公共/私人密钥对。会话密钥使用相同的加密和解密密钥,这种算法较快,但必须保证密钥的安全传递。公共/私人密钥对使用一个公共密钥和一个私人密钥,私人密钥只有专人才能使用,公共密钥可以广泛传播。如果密钥对中的一个用于加密,另一个一定用于解密。公共/私人密钥对算法很慢,一般只用于加密小批数据,例如用于加密会话密钥。

---- CryptoAPI支持两种基本的编码方法:流式编码和块编码。流式编码在明码文本的每一位上创建编码位,速度较快,但安全性较低。块编码在一个完整的块上(一般为64位)上工作,需要使用填充的方法对要编码的数据进行舍入,以组成多个完整的块。这种算法速度较慢,但更安全。

---- 3.应用举例

---- 下面以两个文件加密与解密的C程序片断为例,演示一下CryptoAPI的强大功能。这两个程序均为Win32控制台应用,程序省略了出错处理,实际运行时请加入。

---- ①文件加密

#include < windows.h > #include < stdio.h > #include < stdlib.h > #include < wincrypt.h > //确定使用RC2块编码或是RC4流式编码 #ifdef USE_BLOCK_CIPHER #define ENCRYPT_ALGORITHMCALG_RC2 #define ENCRYPT_BLOCK_SIZE8 #else #define ENCRYPT_ALGORITHMCALG_RC4 #define ENCRYPT_BLOCK_SIZE1 #endif void CAPIDecryptFile(PCHAR szSource, PCHAR szDestination, PCHAR szPassword); void _cdecl main(int argc, char *argv[]) { PCHAR szSource= NULL; PCHAR szDestination = NULL; PCHAR szPassword= NULL; // 验证参数个数 if(argc != 3 && argc != 4) { printf("USAGE: decrypt < source file > < dest file > [ < password > ]\n"); exit(1); } //读取参数. szSource = argv[1]; szDestination = argv[2]; if(argc == 4) { szPassword = argv[3]; } CAPIDecryptFile(szSource, szDestination, szPassword); } /*szSource为要加密的文件名称,szDestination 为加密过的文件名称,szPassword为加密口令*/ void CAPIEncryptFile(PCHAR szSource, PCHAR szDestination, PCHAR szPassword) { FILE *hSource = NULL; FILE *hDestination = NULL; INT eof = 0; HCRYPTPROV hProv = 0; HCRYPTKEY hKey = 0; HCRYPTKEY hXchgKey = 0; HCRYPTHASH hHash = 0; PBYTE pbKeyBlob = NULL; DWORD dwKeyBlobLen; PBYTE pbBuffer = NULL; DWORD dwBlockLen; DWORD dwBufferLen; DWORD dwCount; hSource = fopen(szSource,"rb"));// 打开源文件. hDestination = fopen(szDestination,"wb") ; //.打开目标文件 // 连接缺省的CSP CryptAcquireContext(&hProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, 0)); if(szPassword == NULL) { //口令为空,使用随机产生的会话密钥加密 // 产生随机会话密钥. CryptGenKey(hProv, ENCRYPT_ALGORITHM, CRYPT_EXPORTABLE, &hKey) // 取得密钥交换对的公共密钥 CryptGetUserKey(hProv, AT_KEYEXCHANGE, &hXchgKey); // 计算隐码长度并分配缓冲区 CryptExportKey(hKey, hXchgKey, SIMPLEBLOB, 0, NULL, &dwKeyBlobLen); pbKeyBlob = malloc(dwKeyBlobLen)) == NULL) ; // 将会话密钥输出至隐码 CryptExportKey(hKey, hXchgKey, SIMPLEBLOB, 0, pbKeyBlob, &dwKeyBlobLen)); // 释放密钥交换对的句柄 CryptDestroyKey(hXchgKey); hXchgKey = 0; // 将隐码长度写入目标文件 fwrite(&dwKeyBlobLen, sizeof(DWORD), 1, hDestination); //将隐码长度写入目标文件 fwrite(pbKeyBlob, 1, dwKeyBlobLen, hDestination); } else { //口令不为空, 使用从口令派生出的密钥加密文件 CryptCreateHash(hProv, CALG_MD5, 0, 0, &hHash); // 建立散列表 CryptHashData(hHash, szPassword, strlen(szPassword), 0); //散列口令 // 从散列表中派生密钥 CryptDeriveKey(hProv, ENCRYPT_ALGORITHM, hHash, 0, &hKey); // 删除散列表 CryptDestroyHash(hHash); hHash = 0; } //计算一次加密的数据字节数,必须为ENCRYPT_BLOCK_SIZE的整数倍 dwBlockLen = 1000 - 1000 % ENCRYPT_BLOCK_SIZE; //如果使用块编码,则需要额外空间 if(ENCRYPT_BLOCK_SIZE > 1) { dwBufferLen = dwBlockLen + ENCRYPT_BLOCK_SIZE; } else { dwBufferLen = dwBlockLen; } //分配缓冲区 pbBuffer = malloc(dwBufferLen); //加密源文件并写入目标文件 do { // 从源文件中读出dwBlockLen个字节 dwCount = fread(pbBuffer, 1, dwBlockLen, hSource); eof = feof(hSource); //加密数据 CryptEncrypt(hKey, 0, eof, 0, pbBuffer, &dwCount, dwBufferLen); // 将加密过的数据写入目标文件 fwrite(pbBuffer, 1, dwCount, hDestination); } while(!feof(hSource)); printf("OK\n"); ……//关闭文件、释放内存 } ②文件解密 void CAPIDecryptFile(PCHAR szSource, PCHAR szDestination, PCHAR szPassword) { ……//变量声明、文件操作同文件加密程序 CryptAcquireContext(&hProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, 0); if(szPassword == NULL) { // 口令为空,使用存储在加密文件中的会话密钥解密 // 读隐码的长度并分配内存 fread(&dwKeyBlobLen, sizeof(DWORD), 1, hSource); pbKeyBlob = malloc(dwKeyBlobLen)) == NULL); // 从源文件中读隐码. fread(pbKeyBlob, 1, dwKeyBlobLen, hSource); // 将隐码输入CSP CryptImportKey(hProv, pbKeyBlob, dwKeyBlobLen, 0, 0, &hKey); } else { // 口令不为空, 使用从口令派生出的密钥解密文件 CryptCreateHash(hProv, CALG_MD5, 0, 0, &hHash); CryptHashData(hHash, szPassword, strlen(szPassword), 0); CryptDeriveKey(hProv, ENCRYPT_ALGORITHM, hHash, 0, &hKey); CryptDestroyHash(hHash); hHash = 0; } dwBlockLen = 1000 - 1000 % ENCRYPT_BLOCK_SIZE; if(ENCRYPT_BLOCK_SIZE > 1) { dwBufferLen = dwBlockLen + ENCRYPT_BLOCK_SIZE; } else { dwBufferLen = dwBlockLen; } pbBuffer = malloc(dwBufferLen); //解密源文件并写入目标文件 do { dwCount = fread(pbBuffer, 1, dwBlockLen, hSource); eof = feof(hSource); // 解密数据 CryptDecrypt(hKey, 0, eof, 0, pbBuffer, &dwCount); // 将解密过的数据写入目标文件 fwrite(pbBuffer, 1, dwCount, hDestination); } while(!feof(hSource)); printf("OK\n"); ……//关闭文件、释放内存 } ---- 以上代码在Windows NT4.0、Visual C++6.0环境中编译通过。

---- 除直接用于加密数据外,CryptoAPI还广泛用于产生并确认数字签名,这里就不一一举例说明了,有兴趣的读者可以参考MSDN文档。

 








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