.Net中的加密解密

时间 2019-11-21

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李朝强

发布时间: 2015/11/23 12:55
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在一些比较重要的应用场景中，经过网络传递数据须要进行加密以保证安全。本文将简单地介绍了加密解密的一些概念，以及相关的数字签名、证书，最后介绍了如何在.NET中对数据进行对称加密和解密。html

加密和解密

说到加密，可能你们最熟悉的就是MD5了，记得几年前我刚开始接触Web编程的时候，研究的一个ASP论坛程序，它的用户密码就是采用的MD5进行加密。 MD5实际上只是一种散列运算，或者能够称为单向的加密，便是说没法根据密文（加密后的数据），推导出明文（原数据）。而咱们下面要说明的，是在加密后可以进行解密、还原数据的。对于欲进行加密的对象，有的人称为消息，有的人称为数据，有的人称为信息，为了不混淆，在本文后面部分，我统一将其称为消息。那么加密是什么呢？加密是经过对消息进行编码，创建一种安全的交流方式，使得只有你和你所指望的接收者可以理解。算法

那么怎么样才能叫安全呢？消息在接收方和发送方进行安全传递，通常要知足下面三个要点：编程

消息的发送方可以肯定消息只有预期的接收方能够解密(不保证第三方没法得到，但保证第三方没法解密)。
消息的接收方能够肯定消息是由谁发送的（消息的接收方能够肯定消息的发送方）。
消息的接收方能够肯定消息在途中没有被篡改过（必须确认消息的完整性）。

加密一般分为两种方式：对称加密和非对称加密，接下来咱们先看看对称加密。数组

对称加密

对称加密的思路很是简单，就是含有一个称为密钥的东西，在消息发送前使用密钥对消息进行加密，在对方收到消息以后，使用相同的密钥进行解密。根据密钥来产生加密后的消息（密文）的这一加工过程，由加密算法来完成，加密算法一般是公开的。它的流程以下：安全

发送方使用密钥对消息进行加密。
接收方使用一样的密钥对消息进行解密。

可使用下面一副图来表示：网络

对称加密存在这样两个问题：数据结构

虽然能够经过密钥来保证消息安全地进行传递，可是如何确保密钥安全地进行传递？由于发送者和接收者总有一次初始的通讯，用来传递密钥，此时的安全如何保证？
接收者虽然能够根据密钥来解密消息，但由于存在上面的问题，消息有多是由第三方（非法得到密钥）发来的，而接收方没法辨别。

为了解决上面两个问题，就须要介绍一下非对称加密。并发

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非对称加密

非对称加密的接收者和发送者都持有两个密钥，一个是对外公开的，称为公钥，一个是自行保管的，称为私钥。非对称加密的规则是由某人A的公钥加密的消息，只能由A的私钥进行解密；由A的私钥加密的消息只能由A的公钥解密。此时咱们能够得出接收方、发送方有两个公钥两个私钥一共四个密钥，咱们先看看两种简单的方式，这两种方式都是只使用两个密钥。ide

第一种模式只使用接收方的公钥和私钥，称为加密模式。函数

加密模式

在加密模式中，由消息的接收方发布公钥，持有私钥。好比发送方要发送消息“hello,jimmy”到接收方，它的步骤是：

发送方使用接收者的公钥进行加密消息，而后发送。
接收方使用本身的私钥对消息进行解密。

可使用下面一幅图来描述：

在这种模式下，若是第三方截获了发送者发出的消息，由于他没有接收者的私钥，因此这个消息对他来讲毫无心义。可见，它可以知足本文最开始提出的消息安全传递的要点一：消息的发送方可以肯定消息只有预期的接收方能够解密(不保证第三方没法得到，但保证第三方没法解密)。

除此之外，由于接收方的公钥是公开的，任何人均可以使用这个公钥来加密消息并发往接收者，而接收者没法对消息进行判别，没法知道是由谁发送来的。因此，它不知足咱们开始提出的消息安全传递的要点二：消息的接收方能够肯定消息是由谁发送的（消息的接收方能够肯定消息的发送方）。

这个问题能够在下面的认证模式中获得解决。

认证模式

在认证模式中，由消息的发送方发布公钥，持有私钥。好比发送者要发送消息“Welcome to Tracefact.net”到接收者，它的步骤是：

发送者使用本身的私钥对消息进行加密，而后发送。
接收者使用发送者的公钥对消息进行解密。

能够用下面一副图来表述：

在这种模式下，假如发送方叫作Ken，接收方叫作Matthew，由于Matthew只能使用Ken的公钥对消息进行解密，而没法使用Molly、 Sandy或者任何其余人公钥对消息进行解密，因此他必定可以肯定消息是由Ken发送来的。所以，这个模式知足了前面提出的消息安全传递的要点二。

与此同时，由于Ken的公钥是公开的，任何截获了该消息的第三方都可以使用Ken的公钥来对消息进行解密，换言之，消息如今是不安全的。所以，与加密模式正好相反，它没法知足前面提出的消息安全传递的要点一。

而不论是采用加密模式仍是认证模式，都没有解决加密解密中的要点三：接收方必须可以确认消息没有被改动过。为了解决这个问题，又引入了数字签名。

数字签名

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基本实现

数字签名实际上就是上面非对称加密时的认证模式，只不过作了一点点的改进，加入了散列算法。你们比较熟悉的散列算法可能就是MD5了，不少开源论坛都采用了这个算法。散列算法有三个特色：一是不可逆的，由结果没法推算出原数据；二是原数据哪怕是一丁点儿的变化，都会使散列值产生巨大的变化；三是不论多么大或者多么少的数据，总会产生固定长度的散列值（常见的为32位64位）。产生的散列值一般称为消息的摘要（digest）。

那么如何经过引入散列函数来保证数据的完整性呢？也就是接收方可以确认消息确实是由发送方发来的，而没有在中途被修改过。具体的过程以下：

发送方将想要进行传递的消息进行一个散列运算，获得消息摘要。
发送方使用本身的私钥对摘要进行加密，将消息和加密后的摘要发送给接收方。
接收方使用发送方的公钥对消息和消息摘要进行解密(确认了发送方)。
接收方对收到的消息进行散列运算，获得一个消息摘要。
接收方将上一步得到的消息摘要与发送方发来的消息摘要进行对比。若是相同，说明消息没有被改动过；若是不一样，说明消息已经被篡改。

这个过程能够用下面的一副图来表述：

咱们能够看出，数字签名经过引入散列算法，将非对称加密的认证模式又增强了一步，确保了消息的完整性。除此之外，注意到上面的非对称加密算法，只是对消息摘要进行了加密，而没有对消息自己进行加密。非对称加密是一个很是耗时的操做，因为只对消息摘要加密，使得运算量大幅减小，因此这样可以显著地提升程序的执行速度。同时，它依然没有确保消息不被第三方截获到，不只如此，由于此时消息是以明文进行传递，第三方甚至不须要发送方的公钥，就能够直接查看消息。

为了解决这样的问题，只须要将非对称加密的认证模式、加密模式以及消息摘要进行一个结合就能够了，这也就是下面的高级模式。

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高级实现

因为这个过程比上面稍微复杂了一些，咱们将其分为发送方和接收方两部分来看。先看看发送方须要执行的步骤：

将消息进行散列运算，获得消息摘要。
使用本身的私钥对消息摘要加密(认证模式：确保了接收方可以确认本身)。
使用接收方的公钥对消息进行加密(加密模式：确保了消息只能由指望的接收方解密)。
发送消息和消息摘要。

接下来咱们看一下接收方所执行的步骤：

使用发送方的公钥对消息摘要进行解密(确认了消息是由谁发送的)。
使用本身的私钥对消息进行解密(安全地得到了实际应得到的信息)。
将消息进行散列运算，得到消息摘要。
将上一步得到的消息摘要和第一步解密的消息摘要进行对比(确认了消息是否被篡改)。

可以看到，经过上面这种方式，使用了接收方、发送方所有的四个密钥，再配合使用消息摘要，使得前面提出的安全传递的全部三个条件全都知足了。那么是否是这种方法就是最好的呢？不是的，由于咱们已经说过了，非对称加密是一种很耗时的操做，因此这个方案是很低效的。实际上，咱们能够经过它来解决对称加密中的密钥传递问题，若是你已经忘记了能够翻到前面再看一看，也就是说，咱们可使用这里的高级实现方式来进行对称加密中密钥的传递，对于以后实际的数据传递，采用对称加密方式来完成，由于此时已是安全的了。

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证书机制

与数字签名相关的一个概念就是证书机制了，证书是用来作什么呢？在上面的各类模式中，咱们一直使用了这样一个假设，就是接收方或者发送方所持有的、对方的公钥老是正确的（确实是对方公布的）。而实际上除非对方手把手将公钥交给咱们，不然若是不采起措施，双方在网络中传递公钥时，同样有可能被篡改。那么怎样解决这个问题呢？这时就须要证书机制了：能够引入一个公正的第三方，当某一方想要发布公钥时，它将自身的身份信息及公钥提交给这个第三方，第三方对其身份进行证明，若是没有问题，则将其信息和公钥打包成为证书（Certificate)。而这个公正的第三方，就是常说的证书颁发机构（Certificate Authority）。当咱们须要获取公钥时，只须要得到其证书，而后从中提取出公钥就能够了。

.NET中加密解密的支持

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对称加密和解密

相信经过前面几页的叙述，你们已经明白了加密解密、数字签名的基本原理，下面咱们看一下在.NET中是如何来支持加密解密的。正如上面咱们所进行的分类，.NET中也提供了两组类用于加密解密，一组为对称加密，一组为非对称加密，以下图所示：

上面的类按照名称还能够分为两组，一组后缀为“CryptoServiceProvider”的，是对于底层Windows API的包装类，一组后缀为“Managed”，是在.NET中全新编写的类。如今假设咱们以TripleDES做为算法，那么加密的流程以下：

先建立一个TripleDESCryptoServiceProvider的实例，实例名好比叫provider。
在 provider上指定密钥和IV，也就是它的Key属性和IV属性。这里简单解释一下IV（initialization vector），若是一个字符串（或者数据）加密以前不少部分是重复的好比ABCABCABC，那么加密以后尽管字符串是乱码，但相关部分也是重复的。为了解决这个问题，就引入了IV，当使用它之后，加密以后即便是重复的也被打乱了。对于特定算法，密钥和IV的值能够随意指定，但长度是固定，一般密钥为 128位或196位，IV为64位。密钥和IV都是byte[]类型，所以，若是使用Encoding类来将字符串转换为byte[]，那么编码方式就很重要，由于UTF8是变长编码，因此对于中文和英文，须要特别注意byte[]的长度问题。
如果是加密，在provider上调用CreateEncryptor()方法，建立一个ICryptoTransform类型的加密器对象；若是是解密，在provider上调用CreateDecryptor()方法，一样是建立一个ICryptoTransform类型的解密器对象。 ICryptoTransform定义了加密转换的运算，.NET将在底层调用这个接口。
因为流和byte[]是数据类型无关的一种数据结构，能够保存和传输任何形式的数据，区别只是byte[]是一个静态的概念而流是一个动态的概念。因此，.NET采用了流的方式进行加密和解密，咱们能够想到有两个流，一个是明文流，含有加密前的数据；一个是密文流，含有加密后的数据。那么就必然有一个中介者，将明文流转换为密文流；或者将密文流转换为明文流。.NET中执行这个操做的中介者也是一个流类型，叫作CryptoStream。它的构造函数以下，共有三个参数：
public CryptoStream(Stream stream, ICryptoTransform transform, CryptoStreamMode mode)
当加密时，stream 为密文流（注意此时密文流尚未包含数据，仅仅是一个空流）；ICryptoTransform是第3步建立的加密器，包含着加密的算法；CryptoStreamMode枚举为Write，意思是将流经CryptoStream的明文流写入到密文流中。最后，从密文流中得到加密后的数据。
当解密时，stream为密文流（此时密文流含有数据）；ICryptoTransform是第3步建立的解密器，包含着解密的算法；CryptoStreamMode枚举为Read，意思是将密文流中的数据读出到byte[]数组中，进而再由byte[]转换为明文流、明文字符串。

可见，CryptoStream老是接受密文流，而且根据CryptoStreamMode枚举的值来决定是将明文流写入到密文流（加密），仍是将密文流读入到明文流中（解密）。下面是我编写的一个加密解密的Helper类：

 1 public class CryptoHelper
 2     {
 3 
 4         // 对称加密算法提供器
 5         private ICryptoTransform encryptor;    // 加密器对象
 6         private ICryptoTransform decryptor;    // 解密器对象
 7         private const int BufferSize = 1024;
 8 
 9         public CryptoHelper(string algorithmName, string key)
10         {
11             SymmetricAlgorithm provider = SymmetricAlgorithm.Create(algorithmName);
12             provider.Key = Encoding.UTF8.GetBytes(key);
13             provider.IV = new byte[] { 0x12, 0x34, 0x56, 0x78, 0x90, 0xAB, 0xCD, 0xEF };
14 
15             encryptor = provider.CreateEncryptor();
16             decryptor = provider.CreateDecryptor();
17         }
18 
19         public CryptoHelper(string key) : this("TripleDES", key) { }
20 
21         // 加密算法
22         public string Encrypt(string clearText)
23         {
24             // 建立明文流
25             byte[] clearBuffer = Encoding.UTF8.GetBytes(clearText);
26             MemoryStream clearStream = new MemoryStream(clearBuffer);
27 
28             // 建立空的密文流
29             MemoryStream encryptedStream = new MemoryStream();
30 
31             CryptoStream cryptoStream =
32                 new CryptoStream(encryptedStream, encryptor, CryptoStreamMode.Write);
33 
34             // 将明文流写入到buffer中
35             // 将buffer中的数据写入到cryptoStream中
36             int bytesRead = 0;
37             byte[] buffer = new byte[BufferSize];
38             do
39             {
40                 bytesRead = clearStream.Read(buffer, 0, BufferSize);
41                 cryptoStream.Write(buffer, 0, bytesRead);
42             } while (bytesRead > 0);
43 
44             cryptoStream.FlushFinalBlock();
45 
46             // 获取加密后的文本
47             buffer = encryptedStream.ToArray();
48             string encryptedText = Convert.ToBase64String(buffer);
49             return encryptedText;
50         }
51 
52         // 解密算法
53         public string Decrypt(string encryptedText)
54         {
55             byte[] encryptedBuffer = Convert.FromBase64String(encryptedText);
56             Stream encryptedStream = new MemoryStream(encryptedBuffer);
57 
58             MemoryStream clearStream = new MemoryStream();
59             CryptoStream cryptoStream =
60                 new CryptoStream(encryptedStream, decryptor, CryptoStreamMode.Read);
61 
62             int bytesRead = 0;
63             byte[] buffer = new byte[BufferSize];
64 
65             do
66             {
67                 bytesRead = cryptoStream.Read(buffer, 0, BufferSize);
68                 clearStream.Write(buffer, 0, bytesRead);
69             } while (bytesRead > 0);
70 
71             buffer = clearStream.GetBuffer();
72             string clearText =
73                 Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, (int)clearStream.Length);
74 
75             return clearText;
76         }
77 
78         public static string Encrypt(string clearText, string key)
79         {
80             CryptoHelper helper = new CryptoHelper(key);
81             return helper.Encrypt(clearText);
82         }
83 
84         public static string Decrypt(string encryptedText, string key)
85         {
86             CryptoHelper helper = new CryptoHelper(key);
87             return helper.Decrypt(encryptedText);
88         }
89     }

这个类进行一个简单的测试：

string key = "ABCDEFGHIJKLMNOP";
            string clearText = "欢迎访问www.tracefact.net";

            CryptoHelper helper = new CryptoHelper(key);

            string encryptedText = helper.Encrypt(clearText);
            Console.WriteLine(encryptedText);

            clearText = CryptoHelper.Decrypt(encryptedText, key);
            Console.WriteLine(clearText);
           
            Console.ReadKey(true);

转载自：http://my.oschina.net/lichaoqiang/blog/534173