.NET中加密和解密的实现方法

.NET将原来独立的API和SDK合并到一个框架中，这对于程序开发人员非常有利。它将CryptoAPI改编进.NET的 System.Security.Cryptography 名字空间，使密码服务摆脱了SDK平台的神秘性，变成了简单的.NET名字空间的使用。由于随着整个框架组件一起共享，密码服务更容易实现了，现在仅仅需 要学习 System.Security.Cryptography名字空间的功能和用于解决特定方案的类。

　　加密和解密的算法

　　System.Security.Cryptography名字空间包含了实现安全方案的类，例如加密和解密数据、管理密钥、验证数据的完整性并确保数据没有被篡改等等。本文重点讨论加密和解密。

　 　加密和解密的算法分为对称（symmetric）算法和不对称（asymmetric）算法。对称算法在加密和解密数据时使用相同的密钥和初始化矢量， 典型的有DES、 TripleDES和Rijndael算法，它适用于不需要传递密钥的情况，主要用于本地文档或数据的加密。不对称算法有两个不同的密钥，分别是公共密钥 和私有密钥，公共密钥在网络中传递，用于加密数据，而私有密钥用于解密数据。不对称算法主要有RSA、DSA等，主要用于网络数据的加密。

　　加密和解密本地文档

　　下面的例子是加密和解密本地文本，使用的是Rijndael对称算法。

　　对称算法在数据流通过时对它进行加密。因此首先需要建立一个正常的流（例如I/O流）。文章使用FileStream类将文本文件读入字节数组，也使用该类作为输出机制。

　 　接下来定义相应的对象变量。在定义SymmetricAlgorithm抽象类的对象变量时我们可以指定任何一种对称加密算法提供程序。代码使用的是 Rijndael算法，但是很容易改为DES或者TripleDES算法。.NET使用强大的随机密钥设置了提供程序的实例，选择自己的密钥是比较危险 的，接受计算机产生的密钥是一个更好的选择，文中的代码使用的是计算机产生的密钥。

　　下一步，算法实例提供了一个对象来执行实际数据传输。每种算法都有CreateEncryptor和CreateDecryptor两个方法，它们返回实现ICryptoTransform接口的对象。

　 　最后，现在使用BinaryReader的ReadBytes方法读取源文件，它会返回一个字节数组。BinaryReader读取源文件的输入流，在 作为CryptoStream.Write方法的参数时调用ReadBytes方法。指定的CryptoStream实例被告知它应该操作的下层流，该对 象将执行数据传递，无论流的目的是读或者写。

　　下面是加密和解密一个文本文件的源程序片断：

namespace  com.billdawson.crypto
{
class  TextFileCrypt
{
public   static   void  Main( string [] args)
{
string  file  =  args[ 0 ];
string  tempfile  =  Path.GetTempFileName();
// 打开指定的文件
FileStream fsIn  =  File.Open(file,FileMode.Open,
FileAccess.Read);
FileStream fsOut  =  File.Open(tempfile, FileMode.Open,
FileAccess.Write);
// 定义对称算法对象实例和接口
SymmetricAlgorithm symm  =   new  RijndaelManaged();
ICryptoTransform transform  =  symm.CreateEncryptor();
CryptoStream cstream  =   new  CryptoStream(fsOut,transform,
ryptoStreamMode.Write);

BinaryReader br  =   new  BinaryReader(fsIn);
//  读取源文件到cryptostream
cstream.Write(br.ReadBytes(( int )fsIn.Length), 0 ,( int )fsIn.Length);
cstream.FlushFinalBlock();
cstream.Close();
fsIn.Close();
fsOut.Close();

Console.WriteLine( " created encrypted file {0} " , tempfile);
Console.WriteLine( " will now decrypt and show contents " );

//  反向操作--解密刚才加密的临时文件
fsIn  =  File.Open(tempfile,FileMode.Open,FileAccess.Read);
transform  =  symm.CreateDecryptor();
cstream  =   new  CryptoStream(fsIn,transform,
CryptoStreamMode.Read);

StreamReader sr  =   new  StreamReader(cstream);
Console.WriteLine( " decrypted file text:  "   +  sr.ReadToEnd());
fsIn.Close();
}
}
}

 加密网络数据

　 　如果我有一个只想自己看到的文档，我不会简单的通过e-mail发送给你。我将使用对称算法加密它；如果有人截取了它，他们也不能阅读该文档，因为他们 没有用于加密的唯一密钥。但是你也没有密钥。我需要使用某种方式将密钥给你，这样你才能解密文档，但是不能冒密钥和文档被截取的风险。

　 　非对称算法就是一种解决方案。这类算法使用的两个密钥有如下关系：使用公共密钥加密的信息只能被相应的私有密钥解密。因此，我首要求你给我发送你的公共 密钥。在发送给我的途中可能有人会截取它，但是没有关系，因为他们只能使用该密钥给你的信息加密。我使用你的公共密钥加密文档并发送给你。你使用私有密钥 解密该文档，这是唯一可以解密的密钥，并且没有通过网络传递。

　　不对称算法比对称算法计算的花费多、速度慢。因此我们不希望在线对话中 使用不对称算法加密所有信息。相反，我们使用对称算法。下面的例子中我们使用不对称加密来加密对称密钥。接着就使用对称算法加密了。实际上安全接口层 （SSL）建立服务器和浏览器之间的安全对话使用的就是这种工作方式。
示例是一个TCP程序，分为服务器端和客户端。服务器端的工作流程是：

　　 从客户端接收公共密钥。

　　 使用公共密钥加密未来使用的对称密钥。

　　 将加密了的对称密钥发送给客户端。

　　 给客户端发送使用该对称密钥加密的信息。

　　代码如下：

namespace  com.billdawson.crypto
{
public   class  CryptoServer
{
private   const   int  RSA_KEY_SIZE_BITS  =   1024 ;
private   const   int  RSA_KEY_SIZE_BYTES  =   252 ;
private   const   int  TDES_KEY_SIZE_BITS  =   192 ;

public   static   void  Main( string [] args)
{
int  port;
string  msg;
TcpListener listener;
TcpClient client;
SymmetricAlgorithm symm;
RSACryptoServiceProvider rsa;
// 获取端口
try
{
port  =  Int32.Parse(args[ 0 ]);
msg  =  args[ 1 ];
}
catch
{
Console.WriteLine(USAGE);
return ;
}
// 建立监听
try
{
listener  =   new  TcpListener(port);
listener.Start();
Console.WriteLine( " Listening on port {0} " ,port);

client  =  listener.AcceptTcpClient();
Console.WriteLine( " connection . " );
}
catch  (Exception e)
{
Console.WriteLine(e.Message);
Console.WriteLine(e.StackTrace);
return ;
}

try
{
rsa  =   new  RSACryptoServiceProvider();
rsa.KeySize  =  RSA_KEY_SIZE_BITS;

//  获取客户端公共密钥
rsa.ImportParameters(getClientPublicKey(client));

symm  =   new  TripleDESCryptoServiceProvider();
symm.KeySize  =  TDES_KEY_SIZE_BITS;

// 使用客户端的公共密钥加密对称密钥并发送给客。
encryptAndSendSymmetricKey(client, rsa, symm);

// 使用对称密钥加密信息并发送
encryptAndSendSecretMessage(client, symm, msg);
}
catch  (Exception e)
{
Console.WriteLine(e.Message);
Console.WriteLine(e.StackTrace);
}
finally
{
try
{
client.Close();
listener.Stop();
}
catch
{
// 错误
}
Console.WriteLine( " Server exiting " );
}
}

private   static  RSAParameters getClientPublicKey(TcpClient client)
{
//  从字节流获取串行化的公共密钥，通过串并转换写入类的实例
byte [] buffer  =   new   byte [RSA_KEY_SIZE_BYTES];
NetworkStream ns  =  client.GetStream();
MemoryStream ms  =   new  MemoryStream();
BinaryFormatter bf  =   new  BinaryFormatter();
RSAParameters result;

int  len  =   0 ;
int  totalLen  =   0 ;

while (totalLen
(len  =  ns.Read(buffer, 0 ,buffer.Length)) > 0 )
{
totalLen += len;
ms.Write(buffer,  0 , len);
}

ms.Position = 0 ;

result  =  (RSAParameters)bf.Deserialize(ms);
ms.Close();

return  result;

}

private   static   void  encryptAndSendSymmetricKey(
TcpClient client,
RSACryptoServiceProvider rsa,
SymmetricAlgorithm symm)
{
//  使用客户端的公共密钥加密对称密钥
byte [] symKeyEncrypted;
byte [] symIVEncrypted;

NetworkStream ns  =  client.GetStream();

symKeyEncrypted  =  rsa.Encrypt(symm.Key,  false );
symIVEncrypted  =  rsa.Encrypt(symm.IV,  false );

ns.Write(symKeyEncrypted,  0 , symKeyEncrypted.Length);
ns.Write(symIVEncrypted,  0 , symIVEncrypted.Length);

}

private   static   void  encryptAndSendSecretMessage(TcpClient client,
SymmetricAlgorithm symm,
string  secretMsg)
{
//  使用对称密钥和初始化矢量加密信息并发送给客户端
byte [] msgAsBytes;
NetworkStream ns  =  client.GetStream();
ICryptoTransform transform  =
symm.CreateEncryptor(symm.Key,symm.IV);
CryptoStream cstream  =
new  CryptoStream(ns, transform, CryptoStreamMode.Write);

msgAsBytes  =  Encoding.ASCII.GetBytes(secretMsg);

cstream.Write(msgAsBytes,  0 , msgAsBytes.Length);
cstream.FlushFinalBlock();
}
}

 客户端的工作流程是：

　　 建立和发送公共密钥给服务器。

　　 从服务器接收被加密的对称密钥。

　　 解密该对称密钥并将它作为私有的不对称密钥。

　　 接收并使用不对称密钥解密信息。

　　代码如下：

namespace  com.billdawson.crypto
{
public   class  CryptoClient
{
private   const   int  RSA_KEY_SIZE_BITS  =   1024 ;
private   const   int  RSA_KEY_SIZE_BYTES  =   252 ;
private   const   int  TDES_KEY_SIZE_BITS  =   192 ;
private   const   int  TDES_KEY_SIZE_BYTES  =   128 ;
private   const   int  TDES_IV_SIZE_BYTES  =   128 ;
public   static   void  Main( string [] args)
{
int  port;
string  host;
TcpClient client;
SymmetricAlgorithm symm;
RSACryptoServiceProvider rsa;

if  (args.Length != 2 )
{
Console.WriteLine(USAGE);
return ;
}

try
{
host  =  args[ 0 ];
port  =  Int32.Parse(args[ 1 ]);
}
catch
{
Console.WriteLine(USAGE);
return ;
}

try   // 连接
{
client  =   new  TcpClient();
client.Connect(host,port);
}
catch (Exception e)
{
Console.WriteLine(e.Message);
Console.Write(e.StackTrace);
return ;
}

try
{
Console.WriteLine( " Connected. Sending public key. " );
rsa  =   new  RSACryptoServiceProvider();
rsa.KeySize  =  RSA_KEY_SIZE_BITS;
sendPublicKey(rsa.ExportParameters( false ),client);
symm  =   new  TripleDESCryptoServiceProvider();
symm.KeySize  =  TDES_KEY_SIZE_BITS;

MemoryStream ms  =  getRestOfMessage(client);
extractSymmetricKeyInfo(rsa, symm, ms);
showSecretMessage(symm, ms);
}
catch (Exception e)
{
Console.WriteLine(e.Message);
Console.Write(e.StackTrace);
}
finally
{
try
{
client.Close();
}
catch   {  // 错误
}
}
}

private   static   void  sendPublicKey(
RSAParameters key,
TcpClient client)
{
NetworkStream ns  =  client.GetStream();
BinaryFormatter bf  =   new  BinaryFormatter();
bf.Serialize(ns,key);
}

private   static  MemoryStream getRestOfMessage(TcpClient client)
{
// 获取加密的对称密钥、初始化矢量、秘密信息。对称密钥用公共RSA密钥
// 加密，秘密信息用对称密钥加密
MemoryStream ms  =   new  MemoryStream();
NetworkStream ns  =  client.GetStream();
byte [] buffer  =   new   byte [ 1024 ];

int  len = 0 ;

//  将NetStream 的数据写入内存流
while ((len  =  ns.Read(buffer,  0 , buffer.Length)) > 0 )
{
ms.Write(buffer,  0 , len);
}
ms.Position  =   0 ;
return  ms;
}

private   static   void  extractSymmetricKeyInfo(
RSACryptoServiceProvider rsa,
SymmetricAlgorithm symm,
MemoryStream msOrig)
{
MemoryStream ms  =   new  MemoryStream();

//  获取TDES密钥--它被公共RSA密钥加密，使用私有密钥解密
byte [] buffer  =   new   byte [TDES_KEY_SIZE_BYTES];
msOrig.Read(buffer, 0 ,buffer.Length);
symm.Key  =  rsa.Decrypt(buffer, false );

//  获取TDES初始化矢量
buffer  =   new   byte [TDES_IV_SIZE_BYTES];
msOrig.Read(buffer,  0 , buffer.Length);
symm.IV  =  rsa.Decrypt(buffer, false );
}

private   static   void  showSecretMessage(
SymmetricAlgorithm symm,
MemoryStream msOrig)
{
// 内存流中的所有数据都被加密了
byte [] buffer  =   new   byte [ 1024 ];
int  len  =  msOrig.Read(buffer, 0 ,buffer.Length);

MemoryStream ms  =   new  MemoryStream();
ICryptoTransform transform  =
symm.CreateDecryptor(symm.Key,symm.IV);
CryptoStream cstream  = new  CryptoStream(ms, transform,
CryptoStreamMode.Write);
cstream.Write(buffer,  0 , len);
cstream.FlushFinalBlock();

//  内存流现在是解密信息，是字节的形式，将它转换为字符串
ms.Position  =   0 ;
len  =  ms.Read(buffer, 0 ,( int ) ms.Length);
ms.Close();

string  msg  =  Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0 ,len);
Console.WriteLine( " The host sent me this secret message: " );
Console.WriteLine(msg);
}
}
}

 使用对称算法加密本地数据时比较适合。在保持代码通用时我们可以选择多种算法，当数据通过特定的CryptoStream时算法使用转换对象加密该数据。需要将数据通过网络发送时，首先使用接收的公共不对称密钥加密对称密钥。

　　本文只涉及到System.Security.Cryptography名字空间的一部分服务。尽管文章保证只有某个私有密钥可以解密相应公共密钥加密的信息，但是它没有保证是谁发送的公共密钥，发送者也可能是假的。需要使用处理数字证书的类来对付该风险。