加密解密概述及.NET中對加密解密的支援（二）
.NET中加密解密的支援
相信通過前面幾頁的敘述，大家已經明白了加密解密、數字簽名的基本原理，下面我們看一下在.NET中是如何來支援加密解密的。正如上面我們所進行的分類，.NET中也提供了兩組類用於加密解密，一組為對稱加密，一組為非對稱加密。這些類按照名稱還可以分為兩組，一組字尾為“CryptoServiceProvider”的，是對於底層Windows API的包裝類，一組字尾為“Managed”，是在.NET中全新編寫的類。
.NET對稱加密解密支援
.NET Framework提供了一些常見的對稱演算法的實現，包括DES、RC2等。下面列出了與對稱演算法有關的類的結構：
System.Security.Cryptography.SymmetricAlgorithm
System.Security.Cryptography.DESCryptoServiceProvider
System.Security.Cryptography.RC2
System.Security.Cryptography.TripleDESCryptoServiceProvider
這些類中黑體表示的類為實現演算法的具體類，其它的都是抽象類；也可以根據需要實現自己的對稱演算法。
.NET非對稱加密解密支援
RSA是當今最常用的非對稱演算法，其被應用於很多領域。RSA演算法的理論依據來自於一個大素數所具有的特性：對於給定的兩個大素數A與B，很容易計算出它們的乘積；但是，僅知道AB的成績卻很難計算原來的A與B各自的值。
.NET Frameork提供了兩個類供我們使用RSA演算法：用於加密資料的RSACryptoServiceProvider類以及用於對資料做數字簽名的DSACryptoServiceProvider類（DSA: Digital Signature Algorithm，數字簽名演算法），其類的層次結構如下
System.Security.Cryptography.AsymmetricAlgorithm
System.Security.Cryptography.DSA
System.Security.Cryptography.DSACryptoServiceProvider
System.Security.Cryptography.RSA
System.Security.Cryptography.RSACryptoServiceProvider
System.Security.Cryptography.ECDsaCng（橢圓曲線數字簽名演算法 (ECDSA) 的下一代加密技術 (CNG) 實現）
.NET雜湊演算法支援
雜湊演算法是把長長的一列資料變成較短的程式碼，這是最流行的64位雜湊金鑰。兩個最流行的雜湊演算法是SHA(Secured Hash Algorithm)和MD5(MessageDigest version5)。這些雜湊金鑰用於標記數字文件。
雜湊值是根據一個數據集合計算出來的數字。如果資料集合不同，那麼計算出來的數字基本上也是不同的。.NET Framework在其System.Security.Cryptography名稱空間下提供了一些主要的雜湊演算法，包括：SHAx、RIPEMD160、與MD5。
System.Security.Cryptography.HashAlgorithm
System.Security.Cryptography.MD5Cng（128 位雜湊演算法的 CNG（下一代加密技術）實現）
KeyedHash
鍵控雜湊演算法是依賴於金鑰的單向雜湊函式，用作訊息驗證程式碼。只有知道金鑰的人才能驗證雜湊值。加密雜湊演算法提供沒有機密的真實性。
SHA
SHA（安全雜湊演算法）是一個塊密碼，在64位的資料塊上執行，這個演算法的改進版本採用了更大的金鑰值，當然，金鑰值越大所需的計算時間越長。而且，對於相對較小的檔案，雜湊值越小就越安全，就是說，雜湊演算法的塊大小應小於或等於資料塊本身的大小。 SHA1演算法的雜湊範圍是160位。
.NET Framework也提供了更大的金鑰值演算法，分別為SHA256、SHA384和SHA512。名稱最後的數字表示其塊大小。
ASP.NET安全性中的成員資格提供程式使用SHA1加密使用者密碼。
MD5
MD5表示MessageDigest版本5。它是一個加密的單向雜湊演算法。MD5有抗偽造，計算成本低且執行簡單等特點。現在MD5已成為雜湊演算法的事實標準。
.NET Framework提供了MD5CryptoServiceProvider這個類實現MD5演算法。該類與SHA1共享同一個基類，前面的示例也只需要做簡單的改動即可成為使用MD5進行處理的例子。
RIPEMD-160
基於MD5的RIPEMD-160最早出現於歐洲，是一個使用160位的雜湊演算法。.NET也引入了對這種演算法的支援。
對稱加密解密示例
現在假設我們以TripleDES作為演算法，那麼加密的流程如下：
1. 先建立一個TripleDESCryptoServiceProvider的例項，例項名比如叫provider。
2.在provider上指定金鑰和IV，也就是它的Key屬性和IV屬性。這裡簡單解釋一下IV（initialization vector），如果一個字串（或者資料）加密之前很多部分是重複的比如ABCABCABC，那麼加密之後儘管字串是亂碼，但相關部分也是重複的。為了解決這個問題，就引入了IV，當使用它以後，加密之後即使是重複的也被打亂了。對於特定演算法，金鑰和IV的值可以隨意指定，但長度是固定，通常金鑰為128位或196位，IV為64位。金鑰和IV都是byte[]型別，因此，如果使用Encoding類來將字串轉換為byte[]，那麼編碼方式就很重要，因為UTF8是變長編碼，所以對於中文和英文，需要特別注意byte[]的長度問題。
3.如果是加密，在provider上呼叫CreateEncryptor()方法，建立一個ICryptoTransform型別的加密器物件；如果是解密，在provider上呼叫CreateDecryptor()方法，同樣是建立一個ICryptoTransform型別的解密器物件。ICryptoTransform定義了加密轉換的運算，.NET將在底層呼叫這個介面。
4.因為流和byte[]是資料型別無關的一種資料結構，可以儲存和傳輸任何形式的資料，區別只是byte[]是一個靜態的概念而流是一個動態的概念。因此，.NET採用了流的方式進行加密和解密，我們可以想到有兩個流，一個是明文流，含有加密前的資料；一個是密文流，含有加密後的資料。那麼就必然有一箇中介者，將明文流轉換為密文流；或者將密文流轉換為明文流。.NET中執行這個操作的中介者也是一個流型別，叫做CryptoStream。它的建構函式如下，共有三個引數：
publicCryptoStream(Stream stream, ICryptoTransform transform, CryptoStreamMode mode)
5. 當加密時，stream為密文流（注意此時密文流還沒有包含資料，僅僅是一個空流）；ICryptoTransform是第3步建立的加密器，包含著加密的演算法；CryptoStreamMode列舉為Write，意思是將流經CryptoStream的明文流寫入到密文流中。最後，從密文流中獲得加密後的資料。
6. 當解密時，stream為密文流（此時密文流含有資料）；ICryptoTransform是第3步建立的解密器，包含著解密的演算法；CryptoStreamMode列舉為Read，意思是將密文流中的資料讀出到byte[]陣列中，進而再由byte[]轉換為明文流、明文字串。
可見，CryptoStream總是接受密文流，並且根據CryptoStreamMode列舉的值來決定是將明文流寫入到密文流（加密），還是將密文流讀入到明文流中（解密）。下面是我編寫的一個加密解密的Helper類：
// 對稱加密幫助類
public class CryptoHelper
{
private SymmetricAlgorithm provider;
private ICryptoTransform encryptor;
private ICryptoTransform decryptor;
private const int BufferSize = 1024;
public CryptoHelper(string algorithmName)
{
provider = SymmetricAlgorithm.Create(algorithmName);
string strKey = ConfigurationManager.AppSettings["CryptoKey"];
string strIV = ConfigurationManager.AppSettings["CryptoIV"];
if (string.IsNullOrEmpty(strKey) || string.IsNullOrEmpty(strIV))
throw new ArgumentNullException("CryptoKey");
//Key
byte[] bsKey = Encoding.UTF8.GetBytes(strKey);
int keySize = provider.KeySize/8;
if (bsKey.Length != keySize)
{
byte[] key = new byte[keySize];
if (bsKey.Length > keySize)
Array.Copy(bsKey, key, keySize);
else
Array.Copy(bsKey, key, bsKey.Length);
provider.Key = key;
}
else
{
provider.Key = bsKey;
}
//IV
byte[] bsIV = Encoding.UTF8.GetBytes(strIV);
int ivSize = provider.BlockSize / 8;
if (bsIV.Length != ivSize)
{
byte[] iv = new byte[ivSize];
if(bsIV.Length > ivSize)
Array.Copy(bsIV, iv, ivSize);
else
Array.Copy(bsIV, iv, bsIV.Length);
provider.IV = iv;
}
else
{
provider.IV = bsIV;
}
encryptor = provider.CreateEncryptor();
decryptor = provider.CreateDecryptor();
}
public CryptoHelper() : this("TripleDES") { }
// Encrypt
public string Encrypt(string clearText)
{
byte[] clearBuffer = Encoding.UTF8.GetBytes(clearText);
MemoryStream clearStream = null;
MemoryStream encryptedStream = null;
CryptoStream cryptoStream = null;
try
{
clearStream = new MemoryStream(clearBuffer);
encryptedStream = new MemoryStream();
cryptoStream = new CryptoStream(encryptedStream, encryptor, CryptoStreamMode.Write);
byte[] buffer = new byte[BufferSize];
int bytesRead = 0;
while((bytesRead = clearStream.Read(buffer, 0, BufferSize)) > 0)
{
cryptoStream.Write(buffer, 0, bytesRead);
}
cryptoStream.FlushFinalBlock();
buffer = encryptedStream.ToArray();
string encryptedText = Convert.ToBase64String(buffer);
return encryptedText;
}
finally
{
if (cryptoStream != null)
{
cryptoStream.Close();
cryptoStream = null;
}
if (encryptedStream != null)
{
encryptedStream.Close();
encryptedStream = null;
}
if (clearStream != null)
{
clearStream.Close();
clearStream = null;
}
if (provider != null)
{
provider.Clear();
}
}
}
// Decrypt
public string Decrypt(string encryptedText)
{
byte[] encryptedBuffer = Convert.FromBase64String(encryptedText);
byte[] buffer = new byte[BufferSize];
Stream encryptedStream = null;
MemoryStream clearStream = null;
CryptoStream cryptoStream = null;
try
{
encryptedStream = new MemoryStream(encryptedBuffer);
clearStream = new MemoryStream();
cryptoStream = new CryptoStream(encryptedStream, decryptor, CryptoStreamMode.Read);
int bytesRead = 0;
while ((bytesRead = cryptoStream.Read(buffer, 0, BufferSize)) > 0)
{
clearStream.Write(buffer, 0, bytesRead);
}
buffer = clearStream.GetBuffer();
string clearText = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, (int)clearStream.Length);
return clearText;
}
finally
{
if (encryptedStream != null)
{
encryptedStream.Close();
encryptedStream = null;
}
if (clearStream != null)
{
clearStream.Close();
clearStream = null;
}
if (cryptoStream != null)
{
cryptoStream.Close();
cryptoStream = null;
}
if (provider != null)
{
provider.Clear();
}
}
}
}
非對稱加密解密示例
如果對檔案的安全性要求不是很嚴格，只是控制檔案在傳輸中的完整性，可以用雜湊演算法算出一個檔案的雜湊，然後用非對稱演算法加密並把加密後的資訊附加於檔案中，接收方使用收到的檔案中的雜湊驗證檔案的完整性，同時也能確認檔案的傳送者，即實現了簡單的檔案簽名的功能。
下面示例演示瞭如何使用RSACryptoServiceProvider類加密一個字串。其中，ExpertParameter(bool)方法根據引數的真假允許獲得公鑰/私鑰對（true）或只有公鑰（false）。
using System;
using System.Text;
using System.Security.Cryptography;
class Program
{
static void Main()
{
string sMsg = "The message to encrypt!";
string sEnc, sDec;
Encoding utf = new UTF8Encoding();
RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider();
RSAParameters publicKey = rsa.ExportParameters(false);
RSAParameters publicAndPrivateKey = rsa.ExportParameters(true);
{
RSACryptoServiceProvider rsaEncryptor = new
RSACryptoServiceProvider();
rsaEncryptor.ImportParameters(publicKey);
byte[] bMsg = utf.GetBytes(sMsg);
byte[] bEnc = rsaEncryptor.Encrypt(bMsg, false);
sEnc = Convert.ToBase64String(bEnc);
}
{
RSACryptoServiceProvider rsaDecryptor = new
RSACryptoServiceProvider();
rsaDecryptor.ImportParameters(publicAndPrivateKey);
byte[] bEnc = Convert.FromBase64String(sEnc);
byte[] bDec = rsaDecryptor.Decrypt(bEnc, false);
sDec = utf.GetString(bDec);
}
Console.WriteLine("Message : " + sMsg);
Console.WriteLine("Encrypted: " + sEnc);
Console.WriteLine("Decrypted: " + sDec);
}
}
雜湊計算示例
以下以MD5演算法計算雜湊值為例，給出簡單示例。
public string MD5Crypto(string input)
{
MD5 md5Hasher = null;
try
{
// 建立? MD5CryptoServiceProvider 物件U的I例項a
md5Hasher = MD5.Create();
//計算Z哈u希o代a碼
byte[] data = md5Hasher.ComputeHash(Encoding.Default.GetBytes(input));
StringBuilder sBuilder = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < data.Length; i++)
{
sBuilder.Append(data[i].ToString("X2"));
}
return sBuilder.ToString();
}
finally
{
if (md5Hasher != null)
{
md5Hasher.Clear();
md5Hasher.Dispose();
md5Hasher = null;
}
}
}