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)

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

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  0x00800000void 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

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）