Microsoft CryptoAPI加密技术（一）

Microsoft CryptoAPI加密技术（一）
作者:Cuick

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在这个信息爆炸的时代，我们不得不对信息的安全提高警惕。加密作为保障数据信息安全的一种方式，越来越受到人们的关注。
下面，我将把自己对Microsoft CryptoAPI的一些肤浅的理解与大家共享，有什么不妥之处望不吝赐教。

一、 加密方法：

当初，计算机的研究就是为了破解德国人的密码，人们并没有想到计算机给今天带来的信息革命。随着计算机的发展，运算能力的增强，密码学已经取得了巨大的进展。大体来说有以下几种形式。
1、 公用密钥加密技术
加密和解密使用不同的密钥，分别叫做“公钥”和“私钥”。顾名思义，“私钥”就是不能让别人知道的，而“公钥”就是可以公开的。这两个必须配对使用，用公钥加密的数据必须用与其对应的私钥才能解开。这种技术安全性高，得到广泛运用，但是效率太低。
2、 对称密钥加密技术
要求加密和解密过程使用相同的密钥，这样，密钥必须只能被加解密双方知道，否则就不安全。这种技术安全性不高，但是效率高。
3、 结合公用和对称密钥加密技术
公钥加密技术以速度为代价换取了高安全性，而对称加密以低安全换取高性能，所以另一种常见的加密方法就是结合以上两种技术。
用对称加密算法对数据进行加密，然后使用更安全的但效率更低的公钥加密算法对对称密钥进行加密。
4、 数字签名和鉴别
就是对已经加密的数据“签名”，这样接收者可以知道加密的数据的来源，以及是否被更改。

二、 CryptoAPI

微软的CryptoAPI是PKI推荐使用的加密 API。其功能是为应用程序开发者提供在Win32环境下使用加密、验证等安全服务时的标准加密接口。CryptoAPI处于应用程序和CSP（cryptographic service provider）之间（见图一）。

CryptoAPI的编程模型同Windows系统的图形设备接口 GDI比较类似，其中加密服务提供者CSP等同于图形设备驱动程序 ，加密硬件（可选）等同于图形硬件，其上层的应用程序也类似，都不需要同设备驱动程序和硬件直接打交道。

CryptoAPI共有五部分组成：简单消息函数（Simplified Message Functions）、低层消息函数（Low-level Message Functions）、基本加密函数（Base Cryptographic Functions）、证书编解码函数（Certificate Encode/Decode Functions）和证书库管理函数（Certificate Store Functions）。其中前三者可用于对敏感信息进行加密或签名处理，可保证网络传输信心的私有性；后两者通过对证书的使用，可保证网络信息交流中的认证性。

三、 CSP

看到这里，大家也许对CSP还比较迷惑。其实CSP是真正实行加密的独立模块，他既可以由软件实现也可以由硬件实现。但是他必须符合CryptoAPI接口的规范。

每个CSP都有一个名字和一个类型。每个CSP的名字是唯一的，这样便于CryptoAPI找到对应的CSP。目前已经有9种CSP类型，并且还在增长。下表列出出它们支持的密钥交换算法、签名算法、对称加密算法和Hash算法。
(表一)

CSP类型	交换算法	签名算法	对称加密算法	Hash算法
PROV_RSA_FULL	RSA	RSA	RC2 RC4	MD5 SHA
PROV_RSA_SIG	none	RSA	none	MD5 SHA
PROV_RSA_SCHANNEL	RSA	RSA	RC4 DES Triple DES	MD5 SHA
PROV_DSS	DSS	none	DSS	MD5 SHA
PROV_DSS_DH	DH	DSS	CYLINK_MEK	MD5 SHA
PROV_DH_SCHANNEL	DH	DSS	DES Triple DES	MD5 SHA
PROV_FORTEZZA	KEA	DSS	Skipjack	SHA
PROV_MS_EXCHANGE	RSA	RSA	CAST	MD5
PROV_SSL	RSA	RSA	Varies	Varies

从图一可以看到，每个CSP有一个密钥库，密钥库用于存储密钥。而每个密钥库包括一个或多个密钥容器（Key Containers）。每个密钥容器中含属于一个特定用户的所有密钥对。每个密钥容器被赋予一个唯一的名字。在销毁密钥容器前CSP将永久保存每一个密钥容器，包括保存每个密钥容器中的公/私钥对（见图二）。

四、 创建密钥容器，得到CSP句柄

说了这么多只是一些理论性的东西，后面将详细介绍一下Microsoft CryptoAPI的使用方法。

我们已经提过，每一个CSP都有一个名字和一个类型，并且名字保证唯一。所以可以通过名字和类型得到一个CSP。然而，要想加密肯定需要密钥，那么密钥放哪里呢？对了，就放在密钥容器。（有人会问，密码库有什么用？其实密钥库是在安装CSP的时候已经存在了，他与CSP是相对应的。）但是密钥容器并不是一开始就存在的，需要用户去创建。下面的代码实现以上功能（得到CSP即密码容器）。

if(CryptAcquireContext(
&hCryptProv,               // 返回CSP句柄
UserName,                  // 密码容器名
NULL,                      // NULL时使用默认CSP名（微软RSA Base Provider）
PROV_RSA_FULL,             // CSP类型
0))                        // Flag values
{
//以UserName为名的密钥容器存在，那么我们已经得到了CSP的句柄
    printf("A crypto context with the %s key container \n", UserName);
    printf("has been acquired.\n\n");
}
else //如果密钥容器不存在，我们需要创建这个密钥容器
{ 
   if(CryptAcquireContext(
      &hCryptProv, 
      UserName, 
      NULL, 
      PROV_RSA_FULL, 
      CRYPT_NEWKEYSET)) //创建以UserName为名的密钥容器
   {
	//创建密钥容器成功，并得到CSP句柄
      printf("A new key container has been created.\n");
   }
   else
   {
      HandleError("Could not create a new key container.\n");
    }
} // End of else

好了，我们已经创建了密钥容器，并得到了CSP的句柄。也可以这样理解，我们得到了一个CSP的句柄，并且它被绑定到以UserName为名的密钥容器上。嘿嘿……

那么，以后的加解密等操作，都将在这个CSP上进行。
可以如下删除密钥容器。
CryptAcquireContext(&hCryptProv, userName, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_DELETEKEYSET);

五、 一个文件加密的例子

看到这里肯定有人开始说了，“这么多废话，还不快讲怎么加密怎么解密！”您先别急，有些原理性的东西还是先了解了比较好，对以后的使用会有很大帮助。

言归正传，我们来看一段文件加密的代码。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#include <wincrypt.h>
#define MY_ENCODING_TYPE  (PKCS_7_ASN_ENCODING | X509_ASN_ENCODING)
#define KEYLENGTH  0x00800000
void HandleError(char *s);

//--------------------------------------------------------------------
//  These additional #define statements are required.
#define ENCRYPT_ALGORITHM CALG_RC4 
#define ENCRYPT_BLOCK_SIZE 8 

//   Declare the function EncryptFile. The function definition
//   follows main.

BOOL EncryptFile(
				 PCHAR szSource, 
				 PCHAR szDestination, 
				 PCHAR szPassword); 

//--------------------------------------------------------------------
//   Begin main.

void main(void) 
{ 
    CHAR szSource[100]; 
    CHAR szDestination[100]; 
    CHAR szPassword[100]; 
	
	
	printf("Encrypt a file. \n\n");
	printf("Enter the name of the file to be encrypted: ");
	scanf("%s",szSource);
	printf("Enter the name of the output file: ");
	scanf("%s",szDestination);
	printf("Enter the password:");
	scanf("%s",szPassword);
	
	//--------------------------------------------------------------------
	// Call EncryptFile to do the actual encryption.
	
	if(EncryptFile(szSource, szDestination, szPassword))
	{
		printf("Encryption of the file %s was a success. \n", szSource);
		printf("The encrypted data is in file %s.\n",szDestination);
	}
	else
	{
		HandleError("Error encrypting file!"); 
	} 
} // End of main

//--------------------------------------------------------------------
//   Code for the function EncryptFile called by main.

static BOOL EncryptFile(
						PCHAR szSource, 
						PCHAR szDestination, 
						PCHAR szPassword)
						//--------------------------------------------------------------------
						//   Parameters passed are:
						//     szSource, the name of the input, a plaintext file.
						//     szDestination, the name of the output, an encrypted file to be 
						//         created.
						//     szPassword, the password.
{ 
	//--------------------------------------------------------------------
	//   Declare and initialize local variables.
	
	FILE *hSource; 
	FILE *hDestination; 
	
	HCRYPTPROV hCryptProv; 
	HCRYPTKEY hKey; 
	HCRYPTHASH hHash; 
		
	PBYTE pbBuffer; 
	DWORD dwBlockLen; 
	DWORD dwBufferLen; 
	DWORD dwCount; 
	
	//--------------------------------------------------------------------
	// Open source file. 
	if(hSource = fopen(szSource,"rb"))
	{
		printf("The source plaintext file, %s, is open. \n", szSource);
	}
	else
	{ 
		HandleError("Error opening source plaintext file!");
	} 

	//--------------------------------------------------------------------
	// Open destination file. 
	if(hDestination = fopen(szDestination,"wb"))
	{
		printf("Destination file %s is open. \n", szDestination);
	}
	else
	{
		HandleError("Error opening destination ciphertext file!"); 
	}

	//以下获得一个CSP句柄
	if(CryptAcquireContext(
		&hCryptProv, 
		NULL,				//NULL表示使用默认密钥容器，默认密钥容器名
//为用户登陆名
		NULL, 
		PROV_RSA_FULL, 
		0))
	{
		printf("A cryptographic provider has been acquired. \n");
	}
	else
	{
		if(CryptAcquireContext(
			&hCryptProv, 
			NULL, 
			NULL, 
			PROV_RSA_FULL, 
			CRYPT_NEWKEYSET))//创建密钥容器
		{
			//创建密钥容器成功，并得到CSP句柄
			printf("A new key container has been created.\n");
		}
		else
		{
			HandleError("Could not create a new key container.\n");
		}
		
	}

	//--------------------------------------------------------------------
	// 创建一个会话密钥（session key）
	// 会话密钥也叫对称密钥，用于对称加密算法。
	// （注: 一个Session是指从调用函数CryptAcquireContext到调用函数
	//   CryptReleaseContext 期间的阶段。会话密钥只能存在于一个会话过程）

	//--------------------------------------------------------------------
	// Create a hash object. 
	if(CryptCreateHash(
		hCryptProv, 
		CALG_MD5, 
		0, 
		0, 
		&hHash))
    {
        printf("A hash object has been created. \n");
    }
    else
    { 
		HandleError("Error during CryptCreateHash!\n");
    }  

	//--------------------------------------------------------------------
	// 用输入的密码产生一个散列
	if(CryptHashData(
		hHash, 
		(BYTE *)szPassword, 
		strlen(szPassword), 
		0))
	{
		printf("The password has been added to the hash. \n");
	}
	else
	{
		HandleError("Error during CryptHashData. \n"); 
	}

	//--------------------------------------------------------------------
	// 通过散列生成会话密钥
	if(CryptDeriveKey(
		hCryptProv, 
		ENCRYPT_ALGORITHM, 
		hHash, 
		KEYLENGTH, 
		&hKey))
	{
		printf("An encryption key is derived from the password hash. \n"); 
	}
	else
	{
		HandleError("Error during CryptDeriveKey!\n"); 
	}
	//--------------------------------------------------------------------
	// Destroy the hash object. 
	
	CryptDestroyHash(hHash); 
	hHash = NULL; 
	
	//--------------------------------------------------------------------
	//  The session key is now ready. 
	
	//--------------------------------------------------------------------
	// 因为加密算法是按ENCRYPT_BLOCK_SIZE 大小的块加密的，所以被加密的
// 数据长度必须是ENCRYPT_BLOCK_SIZE 的整数倍。下面计算一次加密的
// 数据长度。

	dwBlockLen = 1000 - 1000 % ENCRYPT_BLOCK_SIZE; 
	
	//--------------------------------------------------------------------
	// Determine the block size. If a block cipher is used, 
	// it must have room for an extra block. 
	
	if(ENCRYPT_BLOCK_SIZE > 1) 
		dwBufferLen = dwBlockLen + ENCRYPT_BLOCK_SIZE; 
	else 
		dwBufferLen = dwBlockLen; 
	
	//--------------------------------------------------------------------
	// Allocate memory. 
	if(pbBuffer = (BYTE *)malloc(dwBufferLen))
	{
		printf("Memory has been allocated for the buffer. \n");
	}
	else
	{ 
		HandleError("Out of memory. \n"); 
	}
	//--------------------------------------------------------------------
	// In a do loop, encrypt the source file and write to the source file. 
	
	do 
	{ 
		
		//--------------------------------------------------------------------
		// Read up to dwBlockLen bytes from the source file. 
		dwCount = fread(pbBuffer, 1, dwBlockLen, hSource); 
		if(ferror(hSource))
		{ 
			HandleError("Error reading plaintext!\n");
		}
		
		//--------------------------------------------------------------------
		// 加密数据
		if(!CryptEncrypt(
			hKey,			//密钥
			0,				//如果数据同时进行散列和加密，这里传入一个
//散列对象
			feof(hSource),	//如果是最后一个被加密的块，输入TRUE.如果不是输.
							//入FALSE这里通过判断是否到文件尾来决定是否为
//最后一块。
			0,				//保留
			pbBuffer,		//输入被加密数据，输出加密后的数据
			&dwCount,		//输入被加密数据实际长度，输出加密后数据长度
			dwBufferLen))	//pbBuffer的大小。
		{ 
			HandleError("Error during CryptEncrypt. \n"); 
		} 
		
		//--------------------------------------------------------------------
		// Write data to the destination file. 
		
		fwrite(pbBuffer, 1, dwCount, hDestination); 
		if(ferror(hDestination))
		{ 
			HandleError("Error writing ciphertext.");
		}
		
	} 
	while(!feof(hSource)); 
	//--------------------------------------------------------------------
	//  End the do loop when the last block of the source file has been
	//  read, encrypted, and written to the destination file.
	
	//--------------------------------------------------------------------
	// Close files.
	
	if(hSource) 
		fclose(hSource); 
	if(hDestination) 
		fclose(hDestination); 
	
	//--------------------------------------------------------------------
	// Free memory. 
	
	if(pbBuffer) 
		free(pbBuffer); 
	
	//--------------------------------------------------------------------
	// Destroy session key. 
	
	if(hKey) 
		CryptDestroyKey(hKey); 
	
	//--------------------------------------------------------------------
	// Destroy hash object. 
	
	if(hHash) 
		CryptDestroyHash(hHash); 
	
	//--------------------------------------------------------------------
	// Release provider handle. 
	
	if(hCryptProv) 
		CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);
	return(TRUE); 
} // End of Encryptfile

//--------------------------------------------------------------------
//  This example uses the function HandleError, a simple error
//  handling function, to print an error message to the standard error 
//  (stderr) file and exit the program. 
//  For most applications, replace this function with one 
//  that does more extensive error reporting.

void HandleError(char *s)
{
    fprintf(stderr,"An error occurred in running the program. \n");
    fprintf(stderr,"%s\n",s);
    fprintf(stderr, "Error number %x.\n", GetLastError());
    fprintf(stderr, "Program terminating. \n");
    exit(1);
} // End of HandleError

上面的代码来自MSDN，并作了修改。注释已经很详细了，这里就不赘述了，
解密与加密大同小异，大家可以自己看代码。

这次先写这么多，也许很多人觉得我写这些大家都知道，并且也太简单了。不要急慢慢来，嘿嘿：）接下来会有一些比较深入和实用的技术。

参考：
MSDN相关章节。
（注：如果代码编译不过，加入宏定义：_WIN32_WINNT=0x0400）