非对称加密

小蜜蜂

发布于 2019-07-24 09:10:54

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非对称加密的类型之间的关系如图所示。

加密模式

加密模式只有一种实现，即RSACryptoServiceProvider，采用的是RSA算法。DSACryptoServiceProvider只能进行认证模式，即数字签名，不能进行加密模式。

下面便以RSACryptoServiceProvider为例，来说明加密模式的实现过程。

不管是对称加密还是非对称加密，密钥都是关键。

在对称加密中，密钥可以是开发者自行设定的字符串。

对于非对称加密来说，根据算法的不同密钥的格式也不相同，并且会复杂很多。因此密钥通常是算法自动生成的，而不是由开发者来创建。

在创建RSACryptoServiceProvider类型的实例时，会自动创建一个公/私密钥对。

可以在实例上调用ToXmlString()方法来获得，ToXmlString()返回的结果不仅包含了密钥，还包含了一些其他用于优化算法执行效率的信息。

这个方法接受一个bool类型的参数：

当该参数值为true时，返回的字符串中将包含公钥和私钥；

当该参数值为false时，仅包含公钥信息。

因此，可以通过下面的语句来获得公/私密钥对，或者仅获取公钥：

RSACryptoServiceProvider provider = new RSACryptoServiceProvider();
string publicPrivate = provider.ToXmlString(true); // 获得公/私密钥对
string publicOnly = provider.ToXmlString(false); // 只获得公钥

得到的结果类似于下面，需要注意每次执行上面的代码，得到的结果都不相同：

<!--包含公钥和私钥的XML -->
<RSAKeyValue>
    <Modulus>2hERzSJlfyX0aKuBwTgZYDUyX+kP7yOBrwPfNhWL9E/Ykq0eevDm+fqQO4M0ax+ISPkBgFEQUvWCeUS33DCmpgN0HrvJwr68RQB33LjoaNGPvJ9RyW5UquPPXc8gGiBMVAJjXIdRf0Y4abJoazsYDaeH4G5H4x2Ys+Hqqm+h3pE=</Modulus>
    <Exponent>AQAB</Exponent>
    <P>5I8eCXeqxj5UuPBV2Kbt2nYQfR4deCp7pvmjIT6YeMSkv46cKvNM6pk1NMyHslrhmZjskbR/eSW1xhZYy3H1hw==</P>
    <Q>9D92rDXFPw7y93E5qtzWsRt1801h8T8ykS8J0fy/gwlmAaM5lywZ0+PyFNeFW6rjTak688qfvUlgQBkNPiyRJw==</Q>
    <DP>SdR5TXGcdqFX2M25zVxO5QzSUrhRqKmAe/WT3n9L3WcYGNDGXZFuPTH0X/PZuaFl0qn1cTOvIcEusKgzUrSjLQ==</DP>
    <DQ>UQl9ZkWw2+sp0c9PQtFiqgBicgcKp/A/5sukhndFU0SbA5AUW4PWTecjOqcHKBLat7meRaTEuxjNRncJXceLoQ==</DQ>
    <InverseQ>qpKLZdqeM314Jc4ue7xaTN+U4iRA/DflzhinLS+WrXRKVkvbXxy+9+5kKPTsfkvE7sisQNhm/dpzs3LfxCI60A==</InverseQ>
    <D>JfVys9KY+FkTAmVYYNnzENwxuKBJNcdoe56g7Dkz84Myn9WiyKPGkR0cnj9okH0crBcsO7ngrZAu9g0QNDQDze/egPgvVfcRaubV+vqgWjgU2DmxvJC+lt0KVx7v4xuXIAlJJbyNy9dUsWqrQ/l0hVVyzY035WIHzILDRlS7oEE=</D>
</RSAKeyValue>
<!--仅包含公钥的XML -->
<RSAKeyValue>
    <Modulus>2hERzSJlfyX0aKuBwTgZYDUyX+kP7yOBrwPfNhWL9E/Ykq0eevDm+fqQO4M0ax+ISPkBgFEQUvWCeUS33DCmpgN0HrvJwr68RQB33LjoaNGPvJ9RyW5UquPPXc8gGiBMVAJjXIdRf0Y4abJoazsYDaeH4G5H4x2Ys+Hqqm+h3pE=</Modulus>
    <Exponent>AQAB</Exponent>
</RSAKeyValue>

XML节点的数据是用Base64String字符串表示的byte[]字节数组，通过ExportParameters()方法直接获得字节数组。ExportParameters()方法参数的意义与ToXmlString()方法相同：

RSACryptoServiceProvider provider = new RSACryptoServiceProvider();
RSAParameters pPublicPrivate = provider.ExportParameters(true); // 获得公/私密钥对
RSAParameters pPublicOnly = provider.ExportParameters(false); // 只获得公钥

RSAParameters类型的属性对应XML中的节点，例如DQ、D、P等，它们的值与私钥相关，可以视为私钥由这些值组合而成。作为开发者而言，并不需要关心这些内容，可以简单地将其视为公/私密钥对。

在首次创建了公/私密钥对以后，就可以将公钥公开，将私钥保存。

在发送方发送消息前，使用接收方的公钥进行加密；

在接收方收到消息后，使用私钥进行解密。

可以创建一个RSACryptoHelper帮助类，其中包含以下两个方法：

public class RSACryptoHelper 
{
  // 发送方公钥加密
  public static string Encrypt(string publicKeyXml, string plainText)
  {
    RSACryptoServiceProvider provider = new RSACryptoServiceProvider();
    provider.FromXmlString(publicKeyXml); // 使用公钥初始化对象
    byte[] plainData = Encoding.UTF8.GetBytes(plainText);
    byte[] encryptedData = provider.Encrypt(plainData, true);
    return Convert.ToBase64String(encryptedData);
  }
  // 接收方私钥解密
  public static string Decrypt(string privateKeyXml, string encryptedText)
  {
    RSACryptoServiceProvider provider = new RSACryptoServiceProvider();
    provider.FromXmlString(privateKeyXml); // 使用公/私钥对初始化对象
    byte[] encryptedData = Convert.FromBase64String(encryptedText);
    byte[] plainData = provider.Decrypt(encryptedData, true);
    string plainText = Encoding.UTF8.GetString(plainData);
    return plainText;
  }
}

最后，进行以下测试：

string plainText = "Hello, world!";
string publicKey = "...";
string encryptedText = RSACryptoHelper.Encrypt(publicKey, plainText);
Console.WriteLine(encryptedText);
string privateKey = "...";
string clearText = RSACryptoHelper.Decrypt(privateKey, encryptedText);
Console.WriteLine(clearText);

最后运行的结果如下：

数字签名

数字签名可以说是极大地优化了认证模式，并且实现起来也不会增加太多的复杂度，因此应用得更加广泛。在.NET中可以使用RSACryptoServiceProvider或者DSACryptoServiceProvider来完成数字签名。

下面继续以RSACryptoServiceProvider为例来说明这一过程。

在RSACryptoServiceProvider类型中，有一对方法SignData()和VerifyData()：

SignData()用于运算原文的摘要，并对摘要进行数字签名，最后返回签名后的摘要；

VerifyData()用于重新运算消息，得出本地摘要，并解密传递进来的原始摘要，最后对本地摘要和原始摘要进行对比，并返回bool型的结果。

我们可以扩展前面的RSACryptoHelper帮助类，添加下面两个方法：

//私钥签名
public static string SignData(string plainText, string privateKeyXml)
{
  RSACryptoServiceProvider provider = new RSACryptoServiceProvider();
  provider.FromXmlString(privateKeyXml);
  byte[] plainData = Encoding.UTF8.GetBytes(plainText);
  // 设置获取摘要的算法
  HashAlgorithm sha1 = HashAlgorithm.Create("SHA1");
  // 获得签名过的摘要
  byte[] signedDigest = provider.SignData(plainData, sha1);
  return Convert.ToBase64String(signedDigest);
}
//公钥验证
public static bool VerifyData(string plainText, string signature, string publicKeyXml)
{
  RSACryptoServiceProvider provider = new RSACryptoServiceProvider();
  provider.FromXmlString(publicKeyXml);
  byte[] plainData = Encoding.UTF8.GetBytes(plainText);
  byte[] signedDigest = Convert.FromBase64String(signature);
  HashAlgorithm sha1 = HashAlgorithm.Create("SHA1");
  bool isDataIntact = provider.VerifyData(plainData, sha1, signedDigest);
  return isDataIntact;
}

接下来，可以对上面的方法进行以下测试：

// 发送方
string plainText = "Hello, readers";
string privateKey = "<RSAKeyValue>...</RSAKeyValue>";
string signedDigest = RSACryptoHelper.SignData(plainText, privateKey);
Console.WriteLine(signedDigest);
// 接收方
string publicKey = "<RSAKeyValue>...</RSAKeyValue>";
bool isCorrect = RSACryptoHelper.VerifyData(plainText, signedDigest, publicKey);
Console.WriteLine(isCorrect);

如果上面的publicKey和privateKey是匹配的，则返回true。如果接收方对消息plainText进行了修改，或者使用了错误的公钥，VerifyData()则会返回false.

SignData()和VerifyData()方法执行了太多的操作，大家可能理解得不够清楚。在RSACryptoServiceProvider中还有一对方法SignHash()和VerifyHash()，只针对摘要进行操作，相当于将上面的过程进行了拆分。

下面的两个方法SignData2()、VerifyData2()作用等同于前面的SignData()和VerifyData()，从简洁性来说差一些，但从步骤上来说更为清晰，便于大家理解。

//私钥签名
public static string SignData2(string plainText, string privateKeyXml)
{
  RSACryptoServiceProvider provider = new RSACryptoServiceProvider();
  provider.FromXmlString(privateKeyXml);
  byte[] plainData = Encoding.UTF8.GetBytes(plainText);
  // 设置获取摘要的算法
  HashAlgorithm sha1 = HashAlgorithm.Create("SHA1");
  // 获得原始摘要
  byte[] digestData = sha1.ComputeHash(plainData);
  // 对原始摘要签名
  byte[] signedDigest = provider.SignHash(digestData, "SHA1");
  return Convert.ToBase64String(signedDigest);
}
//公钥验证
public static bool VerifyData2(string plainText, string signedDigest, string publicKeyXml)
{
  RSACryptoServiceProvider provider = new RSACryptoServiceProvider();
  provider.FromXmlString(publicKeyXml);
  byte[] plainData = Encoding.UTF8.GetBytes(plainText);
  byte[] signedDigestData = Convert.FromBase64String(signedDigest);
  // 获得本地摘要
  HashAlgorithm sha1 = HashAlgorithm.Create("SHA1");
  byte[] digest = sha1.ComputeHash(plainData);
  // 解密签名，并判断摘要是否一致
  bool isDataIntact = provider.VerifyHash(digest, "SHA1", signedDigestData);
  return isDataIntact;
}