Microsoft CryptoAPI加密技術（一）

在這個信息爆炸的時代，我們不得不對信息的安全提高警惕。加密作為保障數據信息安全的一種方式，越來越受到人們的關注。

下面，我將把自己對Microsoft CryptoAPI的一些膚淺的理解與大家共享，有什麼不妥之處望不吝賜教。

一、 加密方法：

當初，計算機的研究就是為了破解德國人的密碼，人們並沒有想到計算機給今天帶來的信息革命。隨著計算機的發展，運算能力的增強，密碼學已經取得了巨大的進展。大體來說有以下幾種形式。

1、 公用密鑰加密技術

加密和解密使用不同的密鑰，分別叫做“公鑰”和“私鑰”。顧名思義，“私鑰”就是不能讓別人知道的，而“公鑰”就是可以公開的。這兩個必須配對使用，用公鑰加密的數據必須用與其對應的私鑰才能解開。這種技術安全性高，得到廣泛運用，但是效率太低。

2、 對稱密鑰加密技術

要求加密和解密過程使用相同的密鑰，這樣，密鑰必須只能被加解密雙方知道，否則就不安全。這種技術安全性不高，但是效率高。

3、 結合公用和對稱密鑰加密技術

公鑰加密技術以速度為代價換取了高安全性，而對稱加密以低安全換取高性能，所以另一種常見的加密方法就是結合以上兩種技術。

用對稱加密算法對數據進行加密，然後使用更安全的但效率更低的公鑰加密算法對對稱密鑰進行加密。

4、 數字簽名和鑒別

就是對已經加密的數據“簽名”，這樣接收者可以知道加密的數據的來源，以及是否被更改。

二、 CryptoAPI

微軟的CryptoAPI是PKI推薦使用的加密 API。其功能是為應用程序開發者提供在Win32環境下使用加密、驗證等安全服務時的標准加密接口。CryptoAPI處於應用程序和CSP（cryptographic service provider）之間（見圖一）。

CryptoAPI的編程模型同Windows系統的圖形設備接口 GDI比較類似，其中加密服務提供者CSP等同於圖形設備驅動程序 ，加密硬件（可選）等同於圖形硬件，其上層的應用程序也類似，都不需要同設備驅動程序和硬件直接打交道。

CryptoAPI共有五部分組成：簡單消息函數（Simplified Message Functions）、低層消息函數（Low-level Message Functions）、基本加密函數（Base Cryptographic Functions）、證書編解碼函數（Certificate Encode/Decode Functions）和證書庫管理函數（Certificate Store Functions）。其中前三者可用於對敏感信息進行加密或簽名處理，可保證網絡傳輸信心的私有性；後兩者通過對證書的使用，可保證網絡信息交流中的認證性。

三、 CSP

看到這裡，大家也許對CSP還比較迷惑。其實CSP是真正實行加密的獨立模塊，他既可以由軟件實現也可以由硬件實現。但是他必須符合CryptoAPI接口的規范。

每個CSP都有一個名字和一個類型。每個CSP的名字是唯一的，這樣便於CryptoAPI找到對應的CSP。目前已經有9種CSP類型，並且還在增長。下表列出出它們支持的密鑰交換算法、簽名算法、對稱加密算法和Hash算法。

(表一)

CSP類型 交換算法 簽名算法 對稱加密算法 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

從圖一可以看到，每個CSP有一個密鑰庫，密鑰庫用於存儲密鑰。而每個密鑰庫包括一個或多個密鑰容器（Key Containers）。每個密鑰容器中含屬於一個特定用戶的所有密鑰對。每個密鑰容器被賦予一個唯一的名字。在銷毀密鑰容器前CSP將永久保存每一個密鑰容器，包括保存每個密鑰容器中的公/私鑰對（見圖二）。

四、 創建密鑰容器，得到CSP句柄

說了這麼多只是一些理論性的東西，後面將詳細介紹一下Microsoft CryptoAPI的使用方法。

我們已經提過，每一個CSP都有一個名字和一個類型，並且名字保證唯一。所以可以通過名字和類型得到一個CSP。然而，要想加密肯定需要密鑰，那麼密鑰放哪裡呢？對了，就放在密鑰容器。（有人會問，密碼庫有什麼用？其實密鑰庫是在安裝CSP的時候已經存在了，他與CSP是相對應的。）但是密鑰容器並不是一開始就存在的，需要用戶去創建。下面的代碼實現以上功能（得到CSP即密碼容器）。

if(CryptAcquireContext(
&hCryptProv, // 返回CSP句柄
UserName, // 密碼容器名
NULL, // NULL時使用默認CSP名（微軟RSA Base Provider）
PROV_RSA_FULL, // CSP類型
0)) // Flag values
{
//以UserName為名的密鑰容器存在，那麼我們已經得到了CSP的句柄
printf("A crypto context with the %s key container \n", UserName);
printf("has been acquired.\n\n");
}
else //如果密鑰容器不存在，我們需要創建這個密鑰容器
{
if(CryptAcquireContext(
&hCryptProv,
UserName,
NULL,
PROV_RSA_FULL,
CRYPT_NEWKEYSET)) //創建以UserName為名的密鑰容器
{
//創建密鑰容器成功，並得到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，我們已經創建了密鑰容器，並得到了CSP的句柄。也可以這樣理解，我們得到了一個CSP的句柄，並且它被綁定到以UserName為名的密鑰容器上。嘿嘿……

那麼，以後的加解密等操作，都將在這個CSP上進行。

可以如下刪除密鑰容器。

CryptAcquireContext(&hCryptProv, userName, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_DELETEKEYSET);

五、 一個文件加密的例子

看到這裡肯定有人開始說了，“這麼多廢話，還不快講怎麼加密怎麼解密！”您先別急，有些原理性的東西還是先了解了比較好，對以後的使用會有很大幫助。

言歸正傳，我們來看一段文件加密的代碼。

#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!"); 
	}
	//以下獲得一個CSP句柄
	if(CryptAcquireContext(
		&hCryptProv, 
		NULL,				//NULL表示使用默認密鑰容器，默認密鑰容器名
//為用戶登陸名
		NULL, 
		PROV_RSA_FULL, 
		0))
	{
		printf("A cryptographic provider has been acquired. \n");
	}
	else
	{
		if(CryptAcquireContext(
			&hCryptProv, 
			NULL, 
			NULL, 
			PROV_RSA_FULL, 
			CRYPT_NEWKEYSET))//創建密鑰容器
		{
			//創建密鑰容器成功，並得到CSP句柄
			printf("A new key container has been created.\n");
		}
		else
		{
			HandleError("Could not create a new key container.\n");
		}
	}
	//--------------------------------------------------------------------
	// 創建一個會話密鑰（session key）
	// 會話密鑰也叫對稱密鑰，用於對稱加密算法。
	// （注: 一個Session是指從調用函數CryptAcquireContext到調用函數
	//   CryptReleaseContext 期間的階段。會話密鑰只能存在於一個會話過程）
	//--------------------------------------------------------------------
	// 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");
    }  
	//--------------------------------------------------------------------
	// 用輸入的密碼產生一個散列
	if(CryptHashData(
		hHash, 
		(BYTE *)szPassword, 
		strlen(szPassword), 
		0))
	{
		printf("The password has been added to the hash. \n");
	}
	else
	{
		HandleError("Error during CryptHashData. \n"); 
	}
	//--------------------------------------------------------------------
	// 通過散列生成會話密鑰
	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. 
	//--------------------------------------------------------------------
	// 因為加密算法是按ENCRYPT_BLOCK_SIZE 大小的塊加密的，所以被加密的
// 數據長度必須是ENCRYPT_BLOCK_SIZE 的整數倍。下面計算一次加密的
// 數據長度。
	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");
		}
		//--------------------------------------------------------------------
		// 加密數據
		if(!CryptEncrypt(
			hKey,			//密鑰
			0,				//如果數據同時進行散列和加密，這裡傳入一個
//散列對象
			feof(hSource),	//如果是最後一個被加密的塊，輸入TRUE.如果不是輸.
							//入FALSE這裡通過判斷是否到文件尾來決定是否為
//最後一塊。
			0,				//保留
			pbBuffer,		//輸入被加密數據，輸出加密後的數據
			&dwCount,		//輸入被加密數據實際長度，輸出加密後數據長度
			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

上面的代碼來自MSDN，並作了修改。注釋已經很詳細了，這裡就不贅述了，

解密與加密大同小異，大家可以自己看代碼。

這次先寫這麼多，也許很多人覺得我寫這些大家都知道，並且也太簡單了。不要急慢慢來，嘿嘿：）接下來會有一些比較深入和實用的技術。

參考：

MSDN相關章節。

（注：如果代碼編譯不過，加入宏定義：_WIN32_WINNT=0x0400）