淺談.NET中加密和解密的實現方法分享

.NET將原來獨立的API和SDK合并到一個框架中，這對于程序開發人員非常有利。它將CryptoAPI改編進.NET的System.Security.Cryptography名字空間，使密碼服務擺脫了SDK平臺的神秘性，變成了簡單的.NET名字空間的使用。由于隨著整個框架組件一起共享，密碼服務更容易實現了，現在僅僅需要學習 System.Security.Cryptography名字空間的功能和用于解決特定方案的類。
　　加密和解密的算法

　　System.Security.Cryptography名字空間包含了實現安全方案的類，例如加密和解密數據、管理密鑰、驗證數據的完整性并確保數據沒有被篡改等等。本文重點討論加密和解密。

　　加密和解密的算法分為對稱（symmetric）算法和不對稱（asymmetric）算法。對稱算法在加密和解密數據時使用相同的密鑰和初始化矢量，典型的有DES、 TripleDES和Rijndael算法，它適用于不需要傳遞密鑰的情況，主要用于本地文檔或數據的加密。不對稱算法有兩個不同的密鑰，分別是公共密鑰和私有密鑰，公共密鑰在網絡中傳遞，用于加密數據，而私有密鑰用于解密數據。不對稱算法主要有RSA、DSA等，主要用于網絡數據的加密。

　　加密和解密本地文檔

　　下面的例子是加密和解密本地文本，使用的是Rijndael對稱算法。

　　對稱算法在數據流通過時對它進行加密。因此首先需要建立一個正常的流（例如I/O流）。文章使用FileStream類將文本文件讀入字節數組，也使用該類作為輸出機制。

　　接下來定義相應的對象變量。在定義SymmetricAlgorithm抽象類的對象變量時我們可以指定任何一種對稱加密算法提供程序。代碼使用的是 Rijndael算法，但是很容易改為DES或者TripleDES算法。.NET使用強大的隨機密鑰設置了提供程序的實例，選擇自己的密鑰是比較危險的，接受計算機產生的密鑰是一個更好的選擇，文中的代碼使用的是計算機產生的密鑰。

　　下一步，算法實例提供了一個對象來執行實際數據傳輸。每種算法都有CreateEncryptor和CreateDecryptor兩個方法，它們返回實現ICryptoTransform接口的對象。

　　最后，現在使用BinaryReader的ReadBytes方法讀取源文件，它會返回一個字節數組。BinaryReader讀取源文件的輸入流，在作為CryptoStream.Write方法的參數時調用ReadBytes方法。指定的CryptoStream實例被告知它應該操作的下層流，該對象將執行數據傳遞，無論流的目的是讀或者寫。

　　下面是加密和解密一個文本文件的源程序片斷：

代碼如下:
namespace com.billdawson.crypto
{
class TextFileCrypt
{
public static void Main(string[] args)
{
string file = args[0];
string tempfile = Path.GetTempFileName();
//打開指定的文件
FileStream fsIn = File.Open(file,FileMode.Open,
FileAccess.Read);
FileStream fsOut = File.Open(tempfile, FileMode.Open,
FileAccess.Write);
//定義對稱算法對象實例和接口
SymmetricAlgorithm symm = new RijndaelManaged();
ICryptoTransform transform = symm.CreateEncryptor();
CryptoStream cstream = new CryptoStream(fsOut,transform,
ryptoStreamMode.Write);

BinaryReader br = new BinaryReader(fsIn);
// 讀取源文件到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--解密剛才加密的臨時文件
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();
}
}
}

加密網絡數據

　　如果我有一個只想自己看到的文檔，我不會簡單的通過e-mail發送給你。我將使用對稱算法加密它；如果有人截取了它，他們也不能閱讀該文檔，因為他們沒有用于加密的唯一密鑰。但是你也沒有密鑰。我需要使用某種方式將密鑰給你，這樣你才能解密文檔，但是不能冒密鑰和文檔被截取的風險。

　　非對稱算法就是一種解決方案。這類算法使用的兩個密鑰有如下關系：使用公共密鑰加密的信息只能被相應的私有密鑰解密。因此，我首要求你給我發送你的公共密鑰。在發送給我的途中可能有人會截取它，但是沒有關系，因為他們只能使用該密鑰給你的信息加密。我使用你的公共密鑰加密文檔并發送給你。你使用私有密鑰解密該文檔，這是唯一可以解密的密鑰，并且沒有通過網絡傳遞。

　　不對稱算法比對稱算法計算的花費多、速度慢。因此我們不希望在線對話中使用不對稱算法加密所有信息。相反，我們使用對稱算法。下面的例子中我們使用不對稱加密來加密對稱密鑰。接著就使用對稱算法加密了。實際上安全接口層（SSL）建立服務器和瀏覽器之間的安全對話使用的就是這種工作方式。
示例是一個TCP程序，分為服務器端和客戶端。服務器端的工作流程是：

　　 從客戶端接收公共密鑰。

　　 使用公共密鑰加密未來使用的對稱密鑰。

　　 將加密了的對稱密鑰發送給客戶端。

　　 給客戶端發送使用該對稱密鑰加密的信息。

　　代碼如下：
代碼如下:
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;
//獲取端口
try
{
port = Int32.Parse(args[0]);
msg = args[1];
}
catch
{
Console.WriteLine(USAGE);
return;
}
//建立監聽
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;

// 獲取客戶端公共密鑰
rsa.ImportParameters(getClientPublicKey(client));

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

//使用客戶端的公共密鑰加密對稱密鑰并發送給客。
encryptAndSendSymmetricKey(client, rsa, symm);

//使用對稱密鑰加密信息并發送
encryptAndSendSecretMessage(client, symm, msg);
}
catch (Exception e)
{
Console.WriteLine(e.Message);
Console.WriteLine(e.StackTrace);
}
finally
{
try
{
client.Close();
listener.Stop();
}
catch
{
//錯誤
}
Console.WriteLine("Server exiting");
}
}

private static RSAParameters getClientPublicKey(TcpClient client)
{
// 從字節流獲取串行化的公共密鑰，通過串并轉換寫入類的實例
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)
{
// 使用客戶端的公共密鑰加密對稱密鑰
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)
{
// 使用對稱密鑰和初始化矢量加密信息并發送給客戶端
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();
}
}

客戶端的工作流程是：

　　 建立和發送公共密鑰給服務器。

　　 從服務器接收被加密的對稱密鑰。

　　 解密該對稱密鑰并將它作為私有的不對稱密鑰。

　　 接收并使用不對稱密鑰解密信息。

　　代碼如下：
代碼如下:
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 //連接
{
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 { //錯誤
}
}
}

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)
{
//獲取加密的對稱密鑰、初始化矢量、秘密信息。對稱密鑰用公共RSA密鑰
//加密，秘密信息用對稱密鑰加密
MemoryStream ms = new MemoryStream();
NetworkStream ns = client.GetStream();
byte[] buffer = new byte[1024];

int len=0;

// 將NetStream 的數據寫入內存流
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();

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

// 獲取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)
{
//內存流中的所有數據都被加密了
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();

// 內存流現在是解密信息，是字節的形式，將它轉換為字符串
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);
}
}
}

使用對稱算法加密本地數據時比較適合。在保持代碼通用時我們可以選擇多種算法，當數據通過特定的CryptoStream時算法使用轉換對象加密該數據。需要將數據通過網絡發送時，首先使用接收的公共不對稱密鑰加密對稱密鑰。

本文只涉及到System.Security.Cryptography名字空間的一部分服務。盡管文章保證只有某個私有密鑰可以解密相應公共密鑰加密的信息，但是它沒有保證是誰發送的公共密鑰，發送者也可能是假的。需要使用處理數字證書的類來對付該風險。

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