如何使用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
由于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,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的体系结构如图1。图1 CryptoAPI体系结构
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
数据加密流程如图2所示。
图2 数据加密流程
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量数据,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)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_ALGORITHM CALG_RC2
#define ENCRYPT_BLOCK_SIZE 8
#else
#define ENCRYPT_ALGORITHM CALG_RC4
#define ENCRYPT_BLOCK_SIZE 1
#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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