用CNG加密文件的简单方法

用CNG加密文件的简单方法


 


    简介
    文中用到了一些Cryptography API Next Generation（CNG）函数，开发环境为Windows Vista下的Visual C++ 2005 SP1标准版，加上Windows SDK及CNG SDK。
    程序可适用于以下情况：

    在安全环境下保存文档，但需要在不安全的媒质（如互联网）中传送。
    加密文件，如图像、MP3、各类文档。
    创建软件的产品密钥。


需要注意的是，CNG目前只支持Windows Vista，且不能使用在Visual Basic及C#中。要在Visual Studio中生成相应的Windows程序，可能还需要Windows Vista SDK及CNG SDK，两者都可以从微软官方网站下载获得。


    背景
    我们最初是想在一个简单的GUI程序中使用CNG来加密文件，需要以下三步：

1、    选择加密操作。
2、    选择需要加密的文件。
3、    选择加密密钥。


相关程序
    此处创建了一个MFC应用程序，程序使用单文档界面，在其中可选择待加解密的文件、加密还是解密、密码；此外，还有一个列表框，用于显示其他信息。
    另外，要在Visual C++ 2005中使用CNG SDK，还需要进行如下的项目设置：

1、    在“C/C++——General”项右方的“Additional Include Directories”中，添加以下目录：C:/Program Files/Microsoft CNG Development Kit/Include

 

2、    在“Link——General”项右方的“Additional Library Directories”中，添加以下目录：C:/Program Files/Microsoft CNG Development Kit/Lib/X86

 

3、    在“Linker——Input”项右方的“Additional Dependencies”中，添加“bcrypt.lib”。

 


    相关代码
    在此使用CNG创建了类CMyCNGCryptFile，它有三个公有方法：

    EnumProviders：枚举出注册的提供者。
    CryptFile：加密或解密一个文件。
    GetLastError：返回发生在CryptFile或EnumProviders中的最后一个错误。

相关步骤如下：1、打开算法提供者；2、创建或导入一个密钥；3、获取或设置算法属性；4、执行操作；5、关闭算法提供者。


    以下是CNG API：

打开算法提供者：
BCryptOpenAlgorithmProvider

导入密钥：
BCryptGenerateSymmetricKey

创建密钥：
BCryptCreateHash
BCryptHashData
BCryptFinishHash
BCryptGenerateSymmetricKey

获取或设置算法属性：
BCryptGetProperty
BCryptSetProperty

执行加解密操作：
BCryptEncrypt
BCryptDecrypt

枚举提供者：
BCryptEnumRegisteredProviders

关闭算法提供者：
BCryptCloseAlgorithmProvider

销毁密钥：
BCryptDestroyKey

销毁哈希：
BCryptDestroyHash


bool CryptFile(bool bEncrypt, CString sFileToOpen,CString sFileToCrypt,CString sKey)

    这是从对话框中调用的主要方法，它接受要执行的操作、输入的文件、输出的文件、密钥作为参数，步骤如下：

1、    用OpenMSPrimitiveProviderAES打开算法提供者。
2、    用CreateSymmetricKey_AES_CBC创建一个密钥，或用CreateSymmetricKey_SHA1_Hash导入一个密钥。
3、    获取相关文件的缓冲区。
4、    通过Crypt执行加解密操作，输出中间文件，并通过CryptLastByte获得最终的文件。
5、    保存加密数据到输出文件。


OpenMSPrimitiveProviderAES方法打开一个到AES提供者的句柄。

bool CMyCNGCryptFile::OpenMSPrimitiveProviderAES()
{
    NTSTATUS ntStatus = STATUS_UNSUCCESSFUL;
    ntStatus  = BCryptOpenAlgorithmProvider( &m_hAesAlg,
        BCRYPT_AES_ALGORITHM, NULL, 0);
    switch (ntStatus)
    {
    case STATUS_SUCCESS:
        return true;
    case STATUS_INVALID_PARAMETER:
    case STATUS_NO_MEMORY:
    default:
    //... ...
    }
    return false;
}


    CreateSymmetricKey_AES_CBC方法获取一个密钥，并把它作为一个静态常数BYTE变量rgbAES128Key存储在程序中。第一步，通过BCryptGetProperty取得算法属性，接着用算法提供者句柄得到算法的实现细节，如密钥大小及IV大小；第二步，把它分配在堆中，并通过BCryptSetProperty修改算法的属性。此处假定要使用BCRYPT_CHAIN_MODE_CBC，我们将AES算法的BCRYPT_CHAINING_MODE属性设为BCRYPT_CHAIN_MODE_CBC。现在，我们就可通过BCryptGenerateSymmetricKey来创建一个短暂的密钥了。

bool CMyCNGCryptFile::CreateSymmetricKey_AES_CBC(DWORD &cbKeyObject,
    DWORD &cbIV )
{
    NTSTATUS    ntStatus = STATUS_UNSUCCESSFUL;
    DWORD        cbData    = 0;

    cbKeyObject    = 0;
    cbIV  = 0;

    ntStatus = BCryptGetProperty(m_hAesAlg, BCRYPT_OBJECT_LENGTH,
        (PBYTE)&cbKeyObject,  sizeof(DWORD), &cbData, 0);
    ...
    m_pbKeyObject = (PBYTE)HeapAlloc (GetProcessHeap (), 0, cbKeyObject);
    ...
    ntStatus = BCryptGetProperty( m_hAesAlg, BCRYPT_BLOCK_LENGTH,
        (PBYTE)&cbIV, sizeof(DWORD), &cbData, 0);
    ...
    m_pbIV= (PBYTE) HeapAlloc (GetProcessHeap (), 0, cbIV);

    memcpy(m_pbIV, rgbIV, cbIV);

    ntStatus = BCryptSetProperty(m_hAesAlg, BCRYPT_CHAINING_MODE,
        (PBYTE)BCRYPT_CHAIN_MODE_CBC, sizeof(BCRYPT_CHAIN_MODE_CBC), 0);
    ...
    ntStatus = BCryptGenerateSymmetricKey(m_hAesAlg, &m_hKey, m_pbKeyObject,
        cbKeyObject, (PBYTE)rgbAES128Key, sizeof(rgbAES128Key), 0);
    ...
    return true;

}


    CreateSymmetricKey_SHA1_Hash方法从用户处获取一个密钥。第一步，通过BCryptOpenAlgorithmProvider打开一个新算法SHA1，使用SHA1是因为提供者支持我们后面要用到的哈希接口。接下来通过BCryptGetProperty得到算法属性，再使用算法提供者句柄得到算法的实现细节，如密钥大小及哈希大小，之后再把它分配在堆中，通过BCryptCreateHash为密钥创建哈希对象；第二步，使用BCryptHashData函数对数据缓冲区执行单向哈希，并得到要用于BCryptHashData的哈希值，为此，使用了BCryptFinishHash。现在，就可通过BCryptSetProperty修改算法属性，像上面一样，把AES算法的BCRYPT_CHAINING_MODE属性设为BCRYPT_CHAIN_MODE_CBC，最终将通过BCryptGenerateSymmetricKey创建一个短暂的密钥。

bool CMyCNGCryptFile::CreateSymmetricKey_SHA1_Hash(PCWSTR pwszText,
    DWORD cbKeyObject)
{
    NTSTATUS ntStatus = STATUS_SUCCESS;
    BCRYPT_KEY_HANDLE    hKey = NULL;
   
    DWORD               cbHashObject, cbResult;
    BYTE                rgbHash[20];
    DWORD                cbData    = 0;

    ntStatus = BCryptOpenAlgorithmProvider(&m_hHashAlg,
                     BCRYPT_SHA1_ALGORITHM,NULL,0);
    ...
    ntStatus = BCryptGetProperty(m_hAesAlg, BCRYPT_OBJECT_LENGTH,
                    (PBYTE)&cbKeyObject,  sizeof(DWORD), &cbData, 0);
    ...   
    ntStatus = BCryptGetProperty( m_hHashAlg,BCRYPT_OBJECT_LENGTH,
                    (PBYTE) &cbHashObject,sizeof(DWORD),&cbResult,0);
    ...
    ntStatus = BCryptCreateHash(m_hHashAlg, &m_hHash, m_pbHashObject,
                    cbHashObject, NULL, 0, 0 );

    ntStatus = BCryptHashData( m_hHash,  (PBYTE)pwszText, (ULONG)wcslen(
        pwszText), 0);

    ntStatus = BCryptFinishHash( m_hHash, rgbHash, sizeof(rgbHash), 0);
    ...
    ntStatus = BCryptGenerateSymmetricKey( m_hAesAlg, &hKey,  m_pbKeyObject,
                cbKeyObject, rgbHash, SYMM_KEY_SIZE_SECRET,  0  );
    ...
    return true;
}


    Crypt方法通过BCryptEncrypt与BCryptDecrypt函数执行加解密操作，另外，使用了相同长度的密文来加密数据。

bool CMyCNGCryptFile::Crypt(bool bEncrypt,PUCHAR pbufFileToOpen,
    ULONG iBytesRead, ULONG cbIV, PBYTE pbufFileToSave, DWORD& iBufToSave)
{
   
    NTSTATUS ntStatus =STATUS_UNSUCCESSFUL;   
    DWORD        cbCipherText        = 0;

    if ( bEncrypt )                    
        ntStatus = BCryptEncrypt(m_hKey, pbufFileToOpen, iBytesRead, NULL,
                   m_pbIV, cbIV, pbufFileToSave, iBytesRead, &iBufToSave, 0);

    else       
        ntStatus = BCryptDecrypt(m_hKey, pbufFileToOpen, iBytesRead, NULL,
                   m_pbIV, cbIV, pbufFileToSave, iBytesRead, &iBufToSave,  0);

    ... 
    return false;
}


    CryptLastByte方法使用了不同长度的密文来加密数据，此处调用了BCryptEncrypt或BCryptDecrypt两次，第一次是为了得到加密数据的大小，第二次是得到密文。

bool CMyCNGCryptFile::CryptLastByte(bool bEncrypt,PUCHAR pbufFileToOpen,
    ULONG iBytesRead, ULONG cbIV, PBYTE pbufFileToSave, DWORD& iBufToSave)
{
    NTSTATUS ntStatus= STATUS_UNSUCCESSFUL;
    DWORD        cbCipherText        = 0;

    if (bEncrypt)
    {
        ntStatus = BCryptEncrypt(m_hKey, pbufFileToOpen, iBytesRead, NULL,
                     m_pbIV, cbIV, NULL, 0, &cbCipherText,
                     BCRYPT_BLOCK_PADDING);
        ...
        ntStatus = BCryptEncrypt( m_hKey, pbufFileToOpen, iBytesRead, NULL,
                     m_pbIV, cbIV, pbufFileToSave, cbCipherText,
                     &cbCipherText,BCRYPT_BLOCK_PADDING);
        iBufToSave        =    cbCipherText;
    ...   
    }
    else
    {
        ntStatus = BCryptDecrypt( m_hKey, pbufFileToOpen, iBytesRead, NULL,
        m_pbIV, cbIV, NULL, 0, &cbCipherText, BCRYPT_BLOCK_PADDING);
    ...       
        ntStatus = BCryptDecrypt( m_hKey, pbufFileToOpen, iBytesRead, NULL,
        m_pbIV, cbIV, pbufFileToSave, cbCipherText, &cbCipherText,
        BCRYPT_BLOCK_PADDING);
        ...
    }
    return false;
}


    EnumProviders方法返回当前计算机上已安装的提供者，调用BCryptEnumRegisteredProviders以获取有关已注册提供者的信息，从pProviders中枚举提供者，其为一个PCRYPT_PROVIDERS结构。

bool CMyCNGCryptFile::EnumProviders(CStringList *lstRegisteredProviders)
{
    ...
    ntStatus = BCryptEnumRegisteredProviders(&cbBuffer, &pProviders);
    ...   
    for ( DWORD i = 0; i < pProviders->cProviders; i++)
    {
        sProvider.Format(_T("%s/n"),
        pProviders->rgpszProviders[i]);
        lstRegisteredProviders->AddHead(sProvider);
    }
   
    if (pProviders != NULL)
    {
        BCryptFreeBuffer(pProviders);
    }
    return true;
}


    ~CMyCNGCryptFile析构函数关闭算法提供者，删除所有的指针以防内存泄漏，并销毁密钥哈希。此处调用了BCryptCloseAlgorithmProvider来关闭算法提供者，函数BCryptDestroyKey用于销毁密钥，函数BCryptDestroyHash用于销毁哈希。最后，从PCRYPT_PROVIDERS结构的pProviders中枚举提供者。

CMyCNGCryptFile::~CMyCNGCryptFile()
{
    BCryptCloseAlgorithmProvider(m_hAesAlg,0);
    BCryptDestroyKey(m_hKey);
    HeapFree(GetProcessHeap(), 0, m_pbKeyObject);
    HeapFree(GetProcessHeap(), 0, m_pbIV);
    //Hash
    BCryptDestroyHash(m_hHash);
    free(m_pbHashObject);
    BCryptCloseAlgorithmProvider(m_hHashAlg,0);
}