使用 CryptoAPI Next Generation (CNG) 加密数据的直接示例

Question

我想在 Windows 上的 C++ 应用程序运行中实现数据加密和解密。我花了相当多的时间浏览网络，我想我应该使用 Windows Cryptography API: Next Generation (CNG) functions（尽管我愿意接受更好的选择）。

我发现到处都是复杂的例子，可以做各种各样的事情。我对这方面没有信心，所以我想找一个简单的例子。最后，我需要一个接受字符串并加密的方法，以及另一个将数据解密回字符串的方法。用户将为这两个操作提供密码。

这一定已经做过无数次了。谁能给我指出一个完整而有能力的例子？最终，我将以 Encrypt() 和 Decrypt() 方法结束。

既安全又高效的东西是理想的。

Answer 1

在加密（和解密）之前，您需要使用密钥导出函数从密码中导出密钥（例如 PBKDF2 使用 SHA256）。防止预计算字典攻击除了密码之外，您还需要随机字符串（称为盐）。
接下来选择密码算法（AES with 256-bit key is good one) and cipher mode（ECB 密码模式被认为是弱的，所以使用任何其他密码模式，例如 CBC）。它还需要一个随机字符串（称为初始化向量）。

所以加密算法将是：

生成随机盐
派生密钥（密码，盐）=密钥
生成随机 IV
加密（密钥，IV，明文）=密文

输入参数：明文、密码
输出参数：密文、salt、IV

解密算法为：

派生密钥（密码，盐）=密钥
Decrypt(key, iv, cipher text) = 明文
输入参数：密文、salt、iv、password
输出参数：纯文本

示例代码：

#include <Windows.h>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <array>

#pragma comment(lib, "bcrypt")

static NTSTATUS gen_random(BYTE* buf, ULONG buf_len)
{
    BCRYPT_ALG_HANDLE hAlg = nullptr;
    NTSTATUS status = NTE_FAIL;
    do {
        status = BCryptOpenAlgorithmProvider(&hAlg, L"RNG", nullptr, 0);
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            return status;
        }
        status = BCryptGenRandom(hAlg, buf, buf_len, 0);
    } while (0);
    if (hAlg) {
        BCryptCloseAlgorithmProvider(hAlg, 0);
    }
    return status;
}

static NTSTATUS derive_key(BYTE* pass, ULONG pass_len, BYTE* salt,
                           ULONG salt_len, const ULONG iteration, BYTE* derived_key, ULONG derived_key_len)
{
    BCRYPT_ALG_HANDLE hPrf = nullptr;
    NTSTATUS status = ERROR_SUCCESS;
    do {
        status = BCryptOpenAlgorithmProvider(&hPrf, L"SHA256", nullptr, BCRYPT_ALG_HANDLE_HMAC_FLAG);
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }
        status = BCryptDeriveKeyPBKDF2(hPrf, pass, pass_len, salt, salt_len, iteration, derived_key, derived_key_len, 0);
    } while (0);
    if (hPrf) {
        BCryptCloseAlgorithmProvider(hPrf, 0);
    }
    return status;
}

static NTSTATUS do_encrypt(BYTE* key, ULONG key_len, BYTE* plain_text, ULONG plain_text_len,
                           std::vector<BYTE>& iv, std::vector<BYTE>& cipher_text)
{
    NTSTATUS status = NTE_FAIL;
    BCRYPT_ALG_HANDLE hAlg = nullptr;
    BCRYPT_KEY_HANDLE hKey = nullptr;
    do {
        status = BCryptOpenAlgorithmProvider(&hAlg, L"AES", nullptr, 0);
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }

        /* create key object */
        status = BCryptGenerateSymmetricKey(hAlg, &hKey, nullptr, 0, key, key_len, 0);
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }

        /* set chaining mode */
        std::wstring mode = BCRYPT_CHAIN_MODE_CBC;
        BYTE* ptr = reinterpret_cast<BYTE*>(const_cast<wchar_t*>(mode.data()));
        ULONG size = static_cast<ULONG>(sizeof(wchar_t) * (mode.size() + 1));
        status = BCryptSetProperty(hAlg, BCRYPT_CHAINING_MODE, ptr, size, 0);
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }

        /* generate iv */
        ULONG block_len = 0;
        ULONG res = 0;
        status = BCryptGetProperty(hAlg, BCRYPT_BLOCK_LENGTH, reinterpret_cast<BYTE*>(&block_len), sizeof(block_len), &res, 0);
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }
        iv.resize(block_len);
        status = gen_random(iv.data(), static_cast<ULONG>(iv.size()));
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }

        /* BCryptEncrypt modify iv parameter, so we need to make copy */
        std::vector<BYTE> iv_copy = iv;

        /* get cipher text length */
        ULONG cipher_text_len = 0;
        status = BCryptEncrypt(hKey, plain_text, plain_text_len, nullptr, iv_copy.data(), static_cast<ULONG>(iv_copy.size()),
                               nullptr, cipher_text_len, &cipher_text_len, BCRYPT_BLOCK_PADDING);
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }
        cipher_text.resize(static_cast<size_t>(cipher_text_len));

        /* now encrypt */
        status = BCryptEncrypt(hKey, plain_text, plain_text_len, nullptr, iv_copy.data(), static_cast<ULONG>(iv_copy.size()),
                               cipher_text.data(), cipher_text_len, &cipher_text_len, BCRYPT_BLOCK_PADDING);
    } while (0);
    /* cleanup */
    if (hKey) {
        BCryptDestroyKey(hKey);
    }
    if (hAlg) {
        BCryptCloseAlgorithmProvider(hAlg, 0);
    }
    return status;
}

static NTSTATUS do_decrypt(BYTE* key, ULONG key_len, BYTE* cipher_text, ULONG cipher_text_len,
                           const std::vector<BYTE>& iv, std::vector<BYTE>& plain_text)
{
    NTSTATUS status = NTE_FAIL;
    BCRYPT_ALG_HANDLE hAlg = nullptr;
    BCRYPT_KEY_HANDLE hKey = nullptr;
    do {
        status = BCryptOpenAlgorithmProvider(&hAlg, L"AES", nullptr, 0);
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }

        /* create key object */
        status = BCryptGenerateSymmetricKey(hAlg, &hKey, nullptr, 0, key, key_len, 0);
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }

        /* set chaining mode */
        std::wstring mode = BCRYPT_CHAIN_MODE_CBC;
        BYTE* ptr = reinterpret_cast<BYTE*>(const_cast<wchar_t*>(mode.data()));
        ULONG size = static_cast<ULONG>(sizeof(wchar_t) * (mode.size() + 1));
        status = BCryptSetProperty(hAlg, BCRYPT_CHAINING_MODE, ptr, size, 0);
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }

        /* BCryptEncrypt modify iv parameter, so we need to make copy */
        std::vector<BYTE> iv_copy = iv;

        /* get expected plain text length */
        ULONG plain_text_len = 0;
        status = BCryptDecrypt(hKey, cipher_text, cipher_text_len, nullptr, iv_copy.data(), static_cast<ULONG>(iv_copy.size()),
                               nullptr, plain_text_len, &plain_text_len, BCRYPT_BLOCK_PADDING);
        plain_text.resize(static_cast<size_t>(plain_text_len));

        /* decrypt */
        status = BCryptDecrypt(hKey, cipher_text, cipher_text_len, nullptr, iv_copy.data(), static_cast<ULONG>(iv_copy.size()),
                               plain_text.data(), plain_text_len, &plain_text_len, BCRYPT_BLOCK_PADDING);
        /* actualize size */
        plain_text.resize(static_cast<size_t>(plain_text_len));
    } while (0);
    /* cleanup */
    if (hKey) {
        BCryptDestroyKey(hKey);
    }
    if (hAlg) {
        BCryptCloseAlgorithmProvider(hAlg, 0);
    }
    return status;
}


NTSTATUS encrypt(BYTE* pass, ULONG pass_len, const std::vector<BYTE>& plain_text,
                 std::vector<BYTE>& salt, std::vector<BYTE>& iv, std::vector<BYTE>& cipher_text)
{
    NTSTATUS status = NTE_FAIL;
    salt.resize(8);
    std::array<BYTE, 32> key{0x00};
    do {
        /* generate salt */
        status = gen_random(salt.data(), static_cast<ULONG>(salt.size()));
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }
        /* derive key from password using SHA256 algorithm and 20000 iteration */
        status = derive_key(pass, pass_len, salt.data(), static_cast<ULONG>(salt.size()), 20000, key.data(), key.size());
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }
        /* encrypt */
        status = do_encrypt(key.data(), static_cast<ULONG>(key.size()), const_cast<BYTE*>(plain_text.data()),
                            static_cast<ULONG>(plain_text.size()), iv, cipher_text);
    } while (0);
    SecureZeroMemory(key.data(), key.size());
    return status;
}


NTSTATUS decrypt(BYTE* pass, ULONG pass_len, const std::vector<BYTE>& salt, const std::vector<BYTE>& iv,
                 const std::vector<BYTE>& cipher_text, std::vector<BYTE>& plain_text)
{
    NTSTATUS status = NTE_FAIL;
    std::array<BYTE, 32> key{0x00};
    do {
        /* derive key from password using same algorithm, salt and iteraion count */
        status = derive_key(pass, pass_len, const_cast<BYTE*>(salt.data()), static_cast<ULONG>(salt.size()),
                            20000, key.data(), key.size());
        if (status != ERROR_SUCCESS) {
            break;
        }
        /* decrypt */
        status = do_decrypt(key.data(), static_cast<ULONG>(key.size()), const_cast<BYTE*>(cipher_text.data()),
                            static_cast<ULONG>(cipher_text.size()), const_cast<BYTE*>(iv.data()),
                            static_cast<ULONG>(iv.size()), plain_text);
    } while (0);
    SecureZeroMemory(key.data(), key.size());
    return status;
}

Answer 2

如何使用下一代 CryptoAPI (CNG)：不要使用它。使用一次性密码。

如果您的用户实际收到了密钥，请使用简单但牢不可破的 OTP 或一次一密（参见 https://en.wikipedia.org/wiki/One-time_pad）。

非常好用。

非常容易理解

只需向用户提供足够的 OTP 密钥，您或其他人通过键盘随机输入（我告诉过您这很容易），以持续您认为用户合理使用的时间。

不要从密码或之前 post 作者列出的任何其他内容中导出密钥。那是懒惰的并且不安全。按照我说的制作密钥，然后它们将不会链接到任何代码源。

不要在“学习一些加密和密码学的基础知识”上浪费时间（如果学习不能直接支持您使用一次一密）。

供您阅读一些与 OTP 相关的讨论和定义： https://www.slideshare.net/AsadAli108/3-l4
https://www.slideshare.net/Jonlitan/one-time-pad-encryption-technique

不存在甚至接近 OTP 的众所周知的加密。示例：OTP 不能在数学上或计算上分解为数学或计算过程。

我认为您要求的是简单、容易、不那么复杂但又安全的一次性一卡通。如果您直接将密钥提供给用户，那么没有人（除了有足够信仰的基督徒）可以破解它们。

一些链接可以帮助您获得有用的 C 和 C++ 独立示例：

快速搜索给了我这些例子，由于这个赏金的时间限制我还没有测试过：

https://www.sanfoundry.com/cpp-program-implement-one-time-pad-algorithm/

和

http://www.cplusplus.com/forum/beginner/179981/

和

https://github.com/DDomjosa/One-time-pad-encryption/blob/master/One%20time%20pad%20encryption.cpp

ps：如果您想知道为什么我 post 但不回复评论：我的浏览器似乎不支持这些 Stack Overflow 页面上的“添加评论”，所以我可以 post 但我不能（直到 SO 使他们的页面向后兼容对我来说足够了）回复或发表评论。

使用 CryptoAPI Next Generation (CNG) 加密数据的直接示例

Straight forward example using CryptoAPI Next Generation (CNG) to encrypt data

c++

windows

encryption

cng