知识大全 .NET中的密码学--对称加密

Posted 2022-07-17 知

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　　介绍

　　在 net之前使用非托管的Win APIs加密解密数据是一件非常痛苦的事情为了这个加密解密的目的 NET配置了一组类（和命名空间）现在你有很多类可以使用每种不同的算法保护你的数据在 NET里面Crypttography命名空间下又定义了种类型的加密方法他们是AsymmetricAlgorithm SymmetricAlgorithm和HashAlgorithm 所有的这些类（和 NET密码学类型）都是抽象类我们今天将要描述SymmetricAlgorithm 剩下的将在以后的文章中陆续讲解

　　注意虽然大多数托管代码里的加密类实现使用了很多CryptoAPI库

　　SymmetricAlgorithms基础

　　对称算法使用用户的密钥（密码）工作它的意思是任何时候你都可以实现它而且可以使用对称算法加密或者解密你的数据为了加密或者解密你的数据你必须定义一个密码或者一个密钥下面描述了对称加密的特性

　　加密的强度依赖于你的密钥（密码）如果你配置一个长的密钥它将是非常难破解的意思是他将要花费很长的时间让黑客找到密钥

　　对称加密的一个风险是密码应该让第二个人知道（这个人必须用你的密钥来解密数据）

　　这种加密算法是基于简单的数学操作因此它工作的非常快因此当你要加密的数据量非常大的时候它是最好的选择

　　基于对称的加密可以被黑客暴力破解但是如果你定义一个非常好的密码（足够长）这个破解的过程将需要很长的时间

　　一旦用户定义了密钥黑客可以使用暴力破解或者字典来编码或者解密你的信息但是长的密钥可以在黑客破解你的密码的时候保护你的数据更长的时间

　　另外在使用密钥或者密码对称加密过程中有一件非常重要的事情就是初始化向量（IV） IV被使用在最初的编码中（加密或者解密）在所有的对称算法类中我们有一个名叫Mode的属性这是被IV使用的如果我们设置Mode属性为CipherMode CBC（Cipher Block Chaining）则使用这个模式每个数据块使用来自前一个块的值来处理意思是如果系统在处理第三块数据则它会从第二块中取一些信息（处理第三块数据）接着它会取第一块数据中的信息用来处理第二块数据但是在第一块数据之前没有可以用的块因此它将使用IV来处理第一块这个技术确保没有两个相同的块产生相同的输出并且因此使得数据更安全然而如果你使Mode=CipherModer ECB（Electronic codebook mode）则他不会使用上面的方法（使用前面的处理的块信息处理后面的块）如果你想用很少的资源和时间处理大量的消息那么这个方法对于你来说就很有用他也可以让你从数据的中间开始处理

　　应此上面我们包含了在对称加密中的两间非常重要的事情他们是密钥和初始化向量现在让我们看看对称加密支持哪些算法

　　对称算法和对称算法类

　　下面是对称算法和他们的类的关键信息

　　算法名称　　算法类（抽象）　　有效密钥大小(Bit)　　默认密钥大小(Bit)　　默认实现类

　　DES　　DES　　　　　　DESCryptoServiceProvider

　　TripleDES　　TripleDES　　　　　　TripleDESCryptoServiceProvider

　　RC 　　RC 　　　　　　RC CryptoServiceProvider

　　RijnDael　　RijnDael　　　　　　RijnDaelManaged

　　这里需要注意的是所有的算法类都是继承于抽象类SymmetricAlgorithm 并且你可以看到每个类都支持不同的密钥大小相同的情况下他们也支持不同的初始化向量的大小正如我刚才所说的他们所有的类都是抽象类因此我们不能直接创建这些抽象类的任何实例但是SymmetricAlgorithm类（也是抽象类）有一个共享的方法叫Create可以不用操心它是如何实现来创建一个类的具体实例意思是你可以通过下面的方式使用它

　　RC mRC = RC Create（）

　　它将为您返回一个RC 默认实现的一个实例而不用去关心具体如何实现RC 这个类如果你想在微软以后更新RC 类的实现还能共享代码（成为可能）这个技术是非常有用的在那种情况下你的代码将自动适应它们的改变并且正确的工作或者可能在将来RC 类用托管代码写你的代码依然可以接受它在相同的情况下你同样可以使用下面的语句

　　RC mCrypto = SymmetricAlgorithm Create（ RC ）

　　这也可以给你返回一个RC 的对象（默认实现）在这种情况下你要使用重裁Create方法用算法的名字设置参数来返回算法的对象这个Create方法来自SymmetricAlgorithm类并且向我前面说的所有的使用对称算法的其它类都继承于SymmetricAlgorithm 因此你可以在上面所有的类里面找到Create这个方法意思是如果你使用RC Create（ DES ）则它也能工作并且将返回一个DES的对象但是不能使用RC 类得到DES对象

　　上面的机制看起来很有用我们可以用同样的方法使用我们自己的算法定义自己的类但是要想这样我们必须要对nfig文件作一些小的改动我在这里不详细描述你可以参考Wrox关于密码学的书得到更多的信息

　　现在让我们看看SymmetricAlgorithm类里面的一些方法和属性

　　BlockSize 分开处理的数据块的大小大的数据将被分成小的数据块来处理如果数据小于块大小则被追加（使用一些默认值填充）

　　Key 在处理数据的时候将要使用密钥这个密钥被配置成使用字节数组

　　IV 数据处理的时候使用初始化向量（上面已经描述）配置成字节数组

　　KeySize 密钥的所有位的大小

　　LegalBlockSize 返回BlockSize的枚举告诉你判断包括最大值最小值和跳跃值在内的块的大小跳跃值意思是还有多少值应该添加判断值得到下一个值比如如果最小值是跳跃值是那么下一个判断值就是等等（Returns the BlockSize Enumeration which tells you legal values for block size including max value min value and Skip value Skip value means that how much value should be added to last legal value to get next value Like if min value is and Skipvalue is it means next legal values will be and so on ）

　　Mode 位操作得到或者设置模式见上面描述值是CipherMode枚举中的一个

　　Padding 得到或者设置PaddingMode枚举中的一个追加值（填充块中空余的区域）

　　LegalKeySize 和LegalBlockSize一样但是处理的是KeySize

　　Create 上面已经描述使用它创建默认算法实现的类的实例

　　CreateEncryptor 返回一个可以手动加密数据的IcryptoTransform对象一会将仔细描述

　　CreateDecryptor 返回一个可以手动解密数据的IcryptoTransform对象一会将仔细描述

　　GeneratrKey and GenerateIV 在加密或者解密的过程中如果Key和IV是null则这些方法可以产生默认的密钥和IV

　　VaildKeySize 检查给定的密钥是不是算法的有效的密钥

　　Clear 清除和消除所有的资源以及象密钥和IV这样的内存信息

　　在写代码之前让我们说几件对我们理解代码非常用帮助的事情

　　CreateEncryptor和CreateDecryptor

　　SymmetricAlgorithm类的CreateEncryptor和CreateDecryptor方法返回ICryptoTransform对象 IcryptoTransform是一个想要处理数据块的类来实现的接口这个过程可以是加密解密散列基于的编码和解码等等这个接口的基本目的是完成数据处理分块（The basic purpose of this Interface is to perform Blockwize processing of data ）你可以直接使用它的实例但是在大多数情况下为了方便我们通过其他的名叫CryptoStream来完成让我们看一个例子是如何使用它的

　　DES mCrypt = new SymmetricAlgorithm Create（ DES ）

　　ICryptoTransform mTransform = mCrypt CreateEncryptot（）

　　CreateEncryptor或者CreateDecryptor是两个重裁的方法如果你没有任何参数传入其中那么将使用默认的密钥和IV（使用SymmetricAlgoruthm类里面的GenerateKey和GenerateIV方法）另一方面你可以通过传入一个IV和密钥到CreateEncryptor和CreateDecryptor的对象中以致加密和解密将使用我们自己定义的IV和密钥

　　CryptoStream 类

　　CryptoStream类通常被使用来读写数据同时也在读或者写的时候加密或者解密数据它是简单的包装了一下原始流类Stream It uses the buffered Access taking all worries from you to manage buffer block sizes padding etc 你可以使用下面的代码得到它的实例

　　DES mCrypt = SymmetricAlgorithm Create（ DES ）

　　IcryptoTransform mTransform = mCrypt CreateEncryptor（）

　　CryptoStream mStream = new CryptoStream（fileStream mTransform CryptoStramMode Read）

　　fileStream是请求从硬盘或者内存中读取数据的原始文件的流（或者是MemoryStream）现在通过使用mStream对象和StreamReader/StreamWriter对象读写数据当你将要读写时你的加密解密信息将依赖IcryptoTransform对象

　　代码例子

　　现在我们有足够关于SymmetricAlgorithm的信息最后让我们看看将要编码和解码的代码片断我假设你拥有一个包含txtData和命令按钮控件的窗体在命令按钮的代码事件里写如下代码这个代码将要加密TextBox里面的文本并用MessageBox显示在将加密结果写回到TextBox中

　　SymmetricAlgorithm mCryptProv

　　MemoryStream mMemStr

　　// 加密txtData中的数据然后将加密结果用MessageBox显示并且回写到TextBox中

　　// 这里你可以配置任何 net支持的类

　　DES mCryptProv = SymmetricAlgorithm Create（ Rijndael ）

　　// 加密数据将要以流的形式存储在内存中因此我们需要内存Stream对象

　　mMemStr = new MemoryStream（）

　　// 创建ICryptTransform对象（在这里我们使用默认的密钥和初始向量）

　　ICryptTramsform mTransform = mCryptProv CreateEncryptor（）

　　CryptoStream mCSWriter = new CryptoStream（mMemStr mTransform CryptoStreamMode Write）

　　StreamWriter mSWriter = StreamWriter（mCSWriter）

　　mSwriter Writer（this txtData Text）

　　mSWriter Flush（）

　　mCSWriter FlushFinalBlock（）

　　有一件事情在这里需要注意我们没有在代码的任何地方使用IV和密钥事实上在我们在代码里面没有指定他们的时候 NET Framework将为我们自动产生但是本文包含的例子代码使用的是用户指定的密钥和IV 我们将加密以后的数据使用MemoryStream写到内存中现在让我们从内存中得到数据的代码

　　// 数据已经写入内存但是我们需要回显它到TextBox和MessageBox中因此要做下面的工作

　　// 为接受数据创建字节数组

　　byte[] mBytes = new byte[mMemStr Length ]

　　mMemStr Position =

　　mMemStr Read（mBytes mMemStr Length）

　　Text UTF Encoding mEnc = new Text UTF Encoding（）

　　String mEncData = mEnc GetString（mBytes）

　　MessageBox Show（加密数据为 \\n +mEncData）

　　This txtData Text = mEncData

　　从字节转换为字符串必须要编码在这里我使用了UTF Encoding 最后让我们将解密后的数据再次显示在MessageBox和TextBox中

　　// 现在让我们从内存中得到解密后的数据

　　// 因为我们的数据在内存中所以我们需要重新使用MemoryStream对象

　　// 将内存点置

　　mMemStr Position =

　　mTransform = mCryptProv CreateDecryptor（）

　　CryptoStream mCSReader = new CryptoStream（mMemStr mTransform CryptoStreamMode Read）

　　StreamReader mStrReader = new StreamReader（mCSReader）

　　String mDecData = mStrReader ReadToEnd（）

　　MessageBox（解密数据为 \\n +mDecData）

　　This txtData Text = mDecData

　　这是所有的工作解密那些数据我们使用了相同的内存流为了能从流的其实部分读数据我们首先将它置为开始然后我们用SymmetricAlgorithm对象的CreateDecryptor方法创建IcryptoTransform对象我们在上面的代码中为了解密重复使用了对象（mMemStr）你可以创建新的对象（使用新的变量）然后我们为了从内存中读取数据需要StreamReader对象 While reading that it will also decrypt that data since we passed CryptoStream object during the creation of StreamReader object

　　最后的话

　　 NET为我们提供了一个非常好的托管途径保护我们的数据我们可以使用 NET内建的一组类来加密我们的数据虽然很多的类后台依然使用Crypto APIs技术我们使用老的Crypto APIs没有任何问题但是我们可以不用担心那些类的具体实现来安全的使用这些类在后面的文章我将描述非对称加密算法的神话和用途

　　关于例子

cha138/Article/program/net/201311/13972