用CryptoAPI进行数据加密

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。