如何在 windows 上的 .net 框架中使用来自 ECC X509 证书的 public 密钥加密数据？

Question

我正在使用：

Windows10（版本 1709，OS 内部版本 17025.1000）
.net 框架 4.7
VS 2017（版本：15.3.5）

这是我所做的：

使用 OpenSSL 和 https://gist.github.com/sidshetye/4759690 处的脚本中概述的步骤获得了自签名 ECC 证书并进行了修改：

a) 在 256 位素数域上使用 NIST/P-256 曲线

b) 使用 SHA-256
从文件（在上一步中生成）将证书加载到 X509Certificate2 对象中
将 PFX 文件导入 windows 信任库（用于测试）。这样就成功了。
检查导入的证书显示 Public 关键字段为 'ECC (256 Bits)' 和 Public 关键参数为 'ECDSA_P256'.
接下来想弄清楚如何用这个证书加密。

我卡在了最后一步，因为所有使用 X509Certificate2 对象的示例主要只使用 RSA，而我使用的是 ECC 证书。对于 RSA 证书，在 X509Certificate2 上有一个 GetRSAPublicKey 扩展方法，RSA class 有 Encrypt 方法。但是ECC证书没有这样的方法。

接下来，我偶然发现了这个 post (Load a Certificate Using X509Certificate2 with ECC Public Key) 并尝试了以下操作（尽管它看起来很奇怪为什么 ECC 证书 public 密钥被强制转换为 RSA 类型） :

RSACryptoServiceProvider csp = (RSACryptoServiceProvider)cert.PublicKey.Key

我遇到以下异常：不支持证书密钥算法。

接下来我偶然发现了这个 post (Importing ECC-based certificate from the Windows Certificate Store into CngKey)，它基本上试图创建 CNGKey 类型并用它实例化 ECDsaCng。然而，即使我可以用 ECDiffieHellmanCng 做到这一点，也没有加密方法。

所以我不太确定如何才能进一步使用 ECC X509 证书的 public 密钥来加密数据。

Answer 1

###背景

非对称算法具有三种不同的目的（据我所知）

加密

RSA 是唯一可以直接执行此操作的“标准”算法。

签名

RSA
每日动态广告
ECDSA
ElGamal 签名

密钥约定

迪菲-赫尔曼 (DH)
ECDH
ElGamal 加密（非对称启动阶段）
MQV
ECMQV

由于 RSA 加密是 space 有限的，并且对于 90 年代的计算机来说很难，RSA 加密的主要用途是在“密钥传输”中，也就是说“加密消息”只是DES/3DES 的对称加密密钥（AES 尚未发明）- https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc2313#section-8.

密钥协议（或传输）方案始终必须与 protocol/scheme 结合才能进行加密操作。此类方案包括

TLS（也就是 SSL）
CMS 或 S/MIME 加密数据
IES（综合加密方案）
ECIES（椭圆曲线综合加密方案）
ElGamal 加密（整体）
PGP 加密

所以您可能想要的是 ECIES。

ECIES.Net

目前（.NET Framework 4.7.1、.NET Core 2.0）不支持从 .NET 中的证书获取 ECDiffieHellman 对象。

游戏结束了吧？好吧，可能不是。除非带有 ECDH 密钥的证书明确使用 id-ecDH 算法标识符（相对于更标准的 id-ecc 标识符），否则它可以作为 ECDSA 打开。然后，您可以将该对象强制转换为 ECDH：

using (ECDsa ecdsa = cert.GetECDsaPublicKey())
{
    return ECDiffieHellman.Create(ecdsa.ExportParameters(false));
}

_{（私钥可以做类似的事情，如果密钥是可导出的，否则需要复杂的东西，但你不应该需要它）}

让我们继续分割接收者public对象：

ECDiffieHellmanPublicKey recipientPublic = GetECDHFromCertificate(cert).PublicKey;
ECCurve curve = recipientPublic.ExportParameters().Curve;

所以现在我们转到http://www.secg.org/sec1-v2.pdf第5.1节（椭圆曲线综合加密方案）

###设置

选择 ANSI-X9.63-KDF 和 SHA-2-256 作为哈希函数。
选择HMAC–SHA-256–256.
在CBC模式下选择AES–256。
选择椭圆曲线 Diffie-Hellman 原语。
您已经选择了secp256r1。
硬编码。完成。
点压缩很烦人，选择不用。
我省略了 SharedInfo。这可能使我成为一个坏人。
不使用 XOR，N/A。

###加密

在右曲线上创建一个临时密钥。

 ECDiffieHellman ephem = ECDiffieHellman.Create(curve);

我们决定不。

 ECParameters ephemPublicParams = ephem.ExportParameters(false);
 int pointLen = ephemPublicParams.Q.X.Length;
 byte[] rBar = new byte[pointLen * 2 + 1];
 rBar[0] = 0x04;
 Buffer.BlockCopy(ephemPublicParams.Q.X, 0, rBar, 1, pointLen);
 Buffer.BlockCopy(ephemPublicParams.Q.Y, 0, rBar, 1 + pointLen, pointLen);

无法直接执行此操作，继续。
无法直接执行此操作，继续。
既然我们控制了这里，我们就把 3、4、5 和 6 作为一件事来做。

KDF时间

 // This is why we picked AES 256, HMAC-SHA-2-256(-256) and SHA-2-256,
 // the KDF is dead simple.
 byte[] ek = ephem.DeriveKeyFromHash(
     recipientPublic,
     HashAlgorithmName.SHA256,
     null,
     new byte[] { 0, 0, 0, 1 });

 byte[] mk = ephem.DeriveKeyFromHash(
     recipientPublic,
     HashAlgorithmName.SHA256,
     null,
     new byte[] { 0, 0, 0, 2 });

加密内容。

 byte[] em;

 // ECIES uses AES with the all zero IV. Since the key is never reused,
 // there's not risk in that.
 using (Aes aes = Aes.Create())
 using (ICryptoTransform encryptor = aes.CreateEncryptor(ek, new byte[16]))
 {
     if (!encryptor.CanTransformMultipleBlocks)
     {
         throw new InvalidOperationException();
     }

     em = encryptor.TransformFinalBlock(message, 0, message.Length);
 }

MAC这

 byte[] d;

 using (HMAC hmac = new HMACSHA256(mk))
 {
     d = hmac.ComputeHash(em);
 }

完成

 // Either
 return Tuple.Create(rBar, em, d);
 // Or
 return rBar.Concat(em).Concat(d).ToArray();

###解密作为练习留给 reader.

Answer 2

要从证书中获取 ECDiffieHellman 私钥，请使用以下方法：

安装 NuGet 包 Security.Cryptography (CLR Security). (The package is under MIT license。）
使用以下扩展方法获取 CngKey 实例： CngKey cngKey = certificate.GetCngPrivateKey(); （注意：扩展方法 certificate.GetECDsaPrivateKey()，在 .NET 中原生支持，return 是一个 ECDsaCng 实例；return ECDiffieHellmanCng 没有扩展方法。）
cngKey 实例可用于创建 ECDsaCng 或 ECDiffieHellmanCng 实例： var sa = new ECDsaCng(cngKey); var sa = new ECDiffieHellmanCng(cngKey);

如何在 windows 上的 .net 框架中使用来自 ECC X509 证书的 public 密钥加密数据？

How can I encrypt data using a public key from ECC X509 certificate in .net framework on windows?

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ECIES.Net