計算機網絡安全 —— 非對稱加密算法 RSA 和數字簽名（二）
一、非對稱加密算法基本概念
在對稱密鑰系統中，兩個參與者要共享同一個秘密密鑰。但怎樣才能做到這一點呢？一種是事先約定，另一種是用信使來傳送。在高度自動化的大型計算機網絡中，用信使來傳送密鑰顯然是不合適的。如果事先約定密鑰，就會給密鑰的管理和更換都帶來了極大的不便。當然我們可以使用複雜的密鑰分發中心（KeyDistributionCenter，KDC）來解決該問題，但採用公鑰密碼體制可以比較容易地解決這個問題。公鑰密碼體制的概念是由Stanford大學的研究人員Diffie與Hellman於1976年提出的。公鑰密碼體制使用不同的加密密鑰與解密密鑰。
由於加密密鑰不能用來解密，並且從加密密鑰不能推導出解密密鑰，因此加密密鑰可以公開。例如，參與者A可以在報紙上公布自己的加 密密鑰（即公鑰），而解密密鑰（即私鑰）自己秘密保存。任何參與都可以獲得該公鑰，並用來加密發送給參與者A的信息，而該信息只 能由A解密。可見採用公鑰密碼體制更易解決密鑰分發的問題。
公鑰密碼體制有許多很好的特性，使得它不僅可以用於加密，還可以很方便地用於鑒別和數字簽名。但不幸的是，目前的公鑰密碼算法比對稱密碼算法要慢好幾個數量級。因此，對稱密碼被用於絕大部分加密，而公鑰密碼則通常用於會話密鑰的建立。例如，參與者A要發送 大量秘密信息給B。A首先選擇一個用於加密數據本身（如採用DES算法）的密鑰，由於該密鑰僅用於該次會話，被稱為會話密鑰。因為對稱密鑰由雙方共享，A必須將該會話密鑰通過秘密渠道告知B。為此，A用B的RSA公鑰加密該會話密鑰後發送給B。B收到加密的會話密 鑰後用自己的私鑰解密後得到會話密鑰。此後，A和B之間就可以用該會話密鑰加密通信的數據。具體流程如下圖：
二、數字簽名的基本概念
在日常生活中，可以根據親筆簽名或印章來證明書信或文件的真實來源。但在計算機網絡中傳送的文電又如何蓋章呢？這就是數字簽名（digitalsignature）所要解決的問題。
數字簽名必須保證以下三點：
- 接收方能夠核實發送方對報文的數字簽名；
- 發送方事後不能抵賴對報文的數字簽名；
- 任何人包括接收方都不能偽造對報文的簽名。
現在已有多種實現數字簽名的方法。但採用公鑰算法要比採用對稱密鑰算法更容易實現。具體流程如下：
我們知道公鑰密碼算法的計算代價非常大，對整個報文進行數字簽名是一件非常耗時的事情。更有效的方法是僅對報文摘要進行數字簽名。
上述過程僅對報文進行了簽名，對報文X本身卻未保密。因為截獲DSKA(X)並知道發送方身份的任何人，通過查閱手冊即可獲得發送方的公鑰PKA，因而能得知電文內容。若採用下圖所示的方法，則可同時實現秘密通信和數字簽名。圖中SKA和SKB分別為A和B的私鑰，而PKA 和PKB分別為A和B的公鑰。具體流程如下：
二、.NET使用 RSA 算法
RSA 的私鑰或者公鑰可以由算法自動生成，也可以讀取證書生成，同時我們可以使用 RSA 算法完成數字簽名，具體代碼如下：
1 using System; 2 using System.IO; 3 using System.Security.Cryptography; 4 using System.Security.Cryptography.X509Certificates; 5 using System.Text; 6 7 namespace encryption.rsa 8 { 9 /// <summary> 10 /// //cloud.tencent.com/developer/article/1054441 11 /// </summary> 12 public class RsaAlgorithm 13 { 14 public Encoding Encoding { get; set; } 15 public string PrivateKey { get;private set; } 16 public string PublicKey { get;private set; } 17 18 private RSACryptoServiceProvider _rsa; 19 private int _keySize; 20 #region .ctor 21 22 public RsaAlgorithm(int keySize=512) 23 { 24 _keySize = keySize; 25 _rsa = new RSACryptoServiceProvider() { KeySize = _keySize }; 26 Encoding = Encoding.UTF8; 27 PrivateKey = _rsa.ToXmlString(true); 28 PublicKey = _rsa.ToXmlString(false); 29 } 30 31 #endregion 32 33 #region 創建RSA 34 35 /// <summary> 36 /// 創建加密RSA 37 /// </summary> 38 /// <param name="publicKey">公鑰</param> 39 /// <returns></returns> 40 public RSACryptoServiceProvider CreateEncryptRSA(string publicKey) 41 { 42 try 43 { 44 _rsa = new RSACryptoServiceProvider() { KeySize = _keySize }; 45 _rsa.FromXmlString(publicKey); 46 PublicKey = publicKey; 47 PrivateKey = null; 48 return _rsa; 49 } 50 catch (CryptographicException ex) 51 { 52 throw ex; 53 } 54 } 55 56 /// <summary> 57 /// 根據字符串創建解密RSA 58 /// </summary> 59 /// <param name="privateKey">私鑰</param> 60 /// <returns></returns> 61 public RSACryptoServiceProvider CreateDecryptRSA(string privateKey) 62 { 63 try 64 { 65 _rsa = new RSACryptoServiceProvider() { KeySize = _keySize }; 66 _rsa.FromXmlString(privateKey); 67 PublicKey = null; 68 PrivateKey = privateKey; 69 return _rsa; 70 } 71 catch (CryptographicException ex) 72 { 73 throw ex; 74 } 75 } 76 77 /// <summary> 78 /// 根據安全證書創建加密RSA 79 /// </summary> 80 /// <param name="certfile">公鑰文件</param> 81 /// <returns></returns> 82 public RSACryptoServiceProvider X509CertCreateEncryptRSA(string certfile) 83 { 84 try 85 { 86 if (File.Exists(certfile)==false) 87 { 88 throw new ArgumentNullException(certfile, "加密證書未找到"); 89 } 90 X509Certificate2 x509Cert = new X509Certificate2(certfile); 91 _rsa = (RSACryptoServiceProvider)x509Cert.PublicKey.Key; 92 return _rsa; 93 } 94 catch (CryptographicException ex) 95 { 96 throw ex; 97 } 98 } 99 100 /// <summary> 101 /// 根據私鑰文件創建解密RSA 102 /// </summary> 103 /// <param name="keyfile">私鑰文件</param> 104 /// <param name="password">訪問含私鑰文件的密碼</param> 105 /// <returns></returns> 106 public RSACryptoServiceProvider X509CertCreateDecryptRSA(string keyfile, string password) 107 { 108 try 109 { 110 if (File.Exists(keyfile)==false) 111 { 112 throw new ArgumentNullException(keyfile, "解密證書未找到"); 113 } 114 X509Certificate2 x509Cert = new X509Certificate2(keyfile, password); 115 _rsa = (RSACryptoServiceProvider)x509Cert.PrivateKey; 116 return _rsa; 117 } 118 catch (CryptographicException ex) 119 { 120 throw ex; 121 } 122 } 123 124 #endregion 125 126 127 #region 加密 128 129 /// <summary> 130 /// RSA 加密 131 /// </summary> 132 /// <param name="dataToEncrypt">待加密數據</param> 133 /// <returns></returns> 134 public string Encrypt(string dataToEncrypt) 135 { 136 byte[] bufferBytes = Encoding.GetBytes(dataToEncrypt); 137 return Convert.ToBase64String(this.Encrypt(bufferBytes)); 138 } 139 140 /// <summary> 141 /// RSA 加密 142 /// </summary> 143 /// <param name="dataToEncrypt">待加密數據</param> 144 /// <returns></returns> 145 public byte[] Encrypt(byte[] dataToEncrypt) 146 { 147 byte[] data = null; 148 int blockLen = _rsa.KeySize / 8 - 11; 149 if (dataToEncrypt.Length <= blockLen) 150 { 151 return _rsa.Encrypt(dataToEncrypt, false); 152 } 153 154 using (var dataStream = new MemoryStream(dataToEncrypt)) 155 using (var enStream = new MemoryStream()) 156 { 157 Byte[] buffer = new Byte[blockLen]; 158 int len = dataStream.Read(buffer, 0, blockLen); 159 160 while (len > 0) 161 { 162 Byte[] block = new Byte[len]; 163 Array.Copy(buffer, 0, block, 0, len); 164 165 Byte[] enBlock = _rsa.Encrypt(block, false); 166 enStream.Write(enBlock, 0, enBlock.Length); 167 168 len = dataStream.Read(buffer, 0, blockLen); 169 } 170 171 data = enStream.ToArray(); 172 } 173 174 return data; 175 } 176 177 #endregion 178 179 180 #region 解密 181 182 /// <summary> 183 /// RSA 解密 184 /// </summary> 185 /// <param name="encryptedData">待解密數據<see cref="string"/></param> 186 /// <returns></returns> 187 public string Decrypt(string encryptedData) 188 { 189 string str = null; 190 byte[] buffer = Convert.FromBase64String(encryptedData); 191 return Encoding.GetString(this.Decrypt(buffer)); 192 } 193 194 /// <summary> 195 /// RSA 解密 196 /// </summary> 197 /// <param name="encryptedData">待解密數據(byte數組)<see cref="byte"/></param> 198 /// <returns></returns> 199 public byte[] Decrypt(byte[] encryptedData) 200 { 201 byte[] data = null; 202 int blockLen = _rsa.KeySize / 8; 203 if (encryptedData.Length <= blockLen) 204 { 205 return _rsa.Decrypt(encryptedData, false); 206 } 207 208 using (var dataStream = new MemoryStream(encryptedData)) 209 using (var deStream = new MemoryStream()) 210 { 211 Byte[] buffer = new Byte[blockLen]; 212 int len = dataStream.Read(buffer, 0, blockLen); 213 214 while (len > 0) 215 { 216 Byte[] block = new Byte[len]; 217 Array.Copy(buffer, 0, block, 0, len); 218 219 Byte[] deBlock = _rsa.Decrypt(block, false); 220 deStream.Write(deBlock, 0, deBlock.Length); 221 222 len = dataStream.Read(buffer, 0, blockLen); 223 } 224 225 data = deStream.ToArray(); 226 } 227 228 return data; 229 } 230 231 #endregion 232 233 #region 簽名與驗簽 234 /// <summary> 235 /// RSA 簽名 236 /// //docs.microsoft.com/zh-tw/dotnet/api/system.security.cryptography.rsacryptoserviceprovider.signdata?view=net-5.0 237 /// </summary> 238 /// <param name="hash">報文摘要算法</param> 239 /// <param name="str">報文數據</param> 240 /// <returns></returns> 241 public string Sign(string hash, string str) 242 { 243 byte[] data = Encoding.GetBytes(str); 244 byte[] sign = _rsa.SignData(data, hash); 245 return Convert.ToBase64String(sign); 246 } 247 248 /// <summary> 249 /// 簽名 250 /// </summary> 251 /// <param name="hash">報文摘要算法</param> 252 /// <param name="data">報文數據</param> 253 /// <returns></returns> 254 public string Sign(string hash, byte[] data) 255 { 256 byte[] sign = _rsa.SignData(data, hash); 257 return Convert.ToBase64String(sign); 258 } 259 260 /// <summary> 261 /// 驗簽 262 /// </summary> 263 /// <param name="data">報文數據</param> 264 /// <param name="hash">報文摘要算法</param> 265 /// <param name="sign">簽名</param> 266 /// <returns></returns> 267 public bool VerifySign(byte[] data, string hash,string sign) 268 { 269 byte[] signBytes = Convert.FromBase64String(sign); 270 return _rsa.VerifyData(data, hash, signBytes); 271 } 272 273 /// <summary> 274 /// 驗簽 275 /// </summary> 276 /// <param name="data">報文數據</param> 277 /// <param name="hash">報文摘要算法</param> 278 /// <param name="sign">簽名</param> 279 /// <returns></returns> 280 public bool VerifySign(string data, string hash, string sign) 281 { 282 return VerifySign(Encoding.GetBytes(data),hash,sign); 283 } 284 #endregion 285 } 286 }
四、測試代碼與效果
測試代碼如下：
1 static void Main(string[] args) 2 { 3 { 4 Console.WriteLine("-----------------------------------------------------RSA 字符串加密與解密以及簽名與驗簽--------------------------------------------------"); 5 var input = "公鑰密碼體制中，目前最著名的是由美國三位科學家Rivest, Shamir 和 Adleman 於1976年提出，並在1978年正式發表的RSA 算法。"; 6 Console.Write($"加密內容：{input}\r\n"); 7 var rsa = new RsaAlgorithm(); 8 9 Console.WriteLine($"RSA私鑰：\r\n{rsa.PrivateKey}\r\n"); 10 var encrypt = rsa.Encrypt(input); 11 Console.WriteLine($"RSA加密後內容：\r\n{encrypt}\r\n"); 12 var sign = rsa.Sign("SHA1", input); 13 Console.WriteLine($"RSA生成數字簽名[SHAI]：\r\n{sign}\r\n"); 14 15 Console.WriteLine($"RSA公鑰：\r\n{rsa.PublicKey}\r\n"); 16 var decrypt = rsa.Decrypt(encrypt); 17 Console.WriteLine($"RSA解密後內容：\r\n{decrypt}\r\n"); 18 string signResult = rsa.VerifySign(decrypt, "SHA1", sign) ? "驗簽通過" : "驗簽未通過"; 19 Console.WriteLine($"RSA進行鑒別數字簽名：{signResult}"); 20 } 21 22 { 23 Console.WriteLine("-----------------------------------------------------RSA 文件加密與解密--------------------------------------------------"); 24 var input = System.IO.File.ReadAllBytes(@"C:\Users\97460\Desktop\1.rar"); 25 Console.Write($"加密內容：{Convert.ToBase64String(input)}\r\n"); 26 var rsa = new RsaAlgorithm(1024); 27 28 Console.WriteLine($"RSA私鑰：\r\n{rsa.PrivateKey}\r\n"); 29 var encrypt = rsa.Encrypt(input); 30 Console.WriteLine($"RSA加密後內容：\r\n{Convert.ToBase64String(encrypt)}\r\n"); 31 32 Console.WriteLine($"RSA公鑰：\r\n{rsa.PublicKey}\r\n"); 33 var decrypt = rsa.Decrypt(encrypt); 34 Console.WriteLine($"RSA解密後內容：\r\n{Convert.ToBase64String(decrypt)}\r\n"); 35 System.IO.File.WriteAllBytes("1.rar", decrypt); 36 } 37 38 { 39 Console.WriteLine("-----------------------------------------------------RSA 使用證書加密與解密字符串--------------------------------------------------"); 40 var input = "公鑰密碼體制中，目前最著名的是由美國三位科學家Rivest, Shamir 和 Adleman 於1976年提出，並在1978年正式發表的RSA 算法。"; 41 Console.Write($"加密內容：{input}\r\n"); 42 43 // 證書加密 44 var rsaEncrypt = new RsaAlgorithm(); 45 rsaEncrypt.X509CertCreateEncryptRSA(@"RSAKey.cer"); 46 Console.WriteLine($"RSA私鑰：\r\n{rsaEncrypt.PrivateKey}\r\n"); 47 var encrypt = rsaEncrypt.Encrypt(input); 48 Console.WriteLine($"RSA加密後內容：\r\n{encrypt}\r\n"); 49 50 // 證書解密 51 var rsaDecrypt = new RsaAlgorithm(1024); 52 rsaDecrypt.X509CertCreateDecryptRSA(@"RSAKey.pfx", "888888"); 53 Console.WriteLine($"RSA公鑰：\r\n{rsaEncrypt.PublicKey}\r\n"); 54 var decrypt = rsaDecrypt.Decrypt(encrypt); 55 Console.WriteLine($"RSA解密後內容：\r\n{decrypt}\r\n"); 56 } 57 Console.ReadKey(); 58 }
代碼示例：//github.com/Dwayne112401/encryption
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