Криптосервисы .NET Framework

.NET Framework включает набор криптографических сервисов, расширяющих аналогичные сервисы Windows через CryptoAPI. Пространство имен System.Security.Cryptography открывает программный доступ к самым разнообразным криптографическим сервисам, с помощью которых приложения могут шифровать и дешифровать данные, обеспечивать их целостность, а также обрабатывать цифровые подписи и сертификаты.

На самом высоком уровне пространство имен Cryptography можно разбить на четыре основные части (табл. 1). Главное предназначение этого пространства — предоставлять классы с алгоритмами таких операций, как шифрование и создание хешей. Эти алгоритмы реализуются на основе расширяемого шаблона (pattern), включающего два уровня наследования.

На вершине иерархии располагается абстрактный базовый класс (вроде AsymmetricAlgorithm или HashAlgorithm), имя которого соответствует типу алгоритма. От такого класса наследует абстрактный класс второго уровня, предоставляющий открытый интерфейс для использования данного алгоритма. Например, SHA1 (Secure Hash Algorithm) представляет собой производный от HashAlgorithm класс и содержит методы и свойства, специфичные для алгоритма SHA1. Наконец, сама реализация алгоритма является производной от класса второго уровня; именно её экземпляр создается и используется клиентским приложением. На этом уровне реализация может быть управляемой, неуправляемой или и той и другой.

Табл. 1. Основные элементы пространства имен Cryptography

К именам неуправляемых реализаций обычно добавляется суффикс «CryptoServiceProvider» (скажем, SHA1CryptoServiceProvider), указывающий на то, что данная реализация на самом деле предоставляется криптопровайдером (Cryptographic Service Provider, CSP), который установлен на уровне операционной системы и действует как оболочка CryptoAPI.

В имена управляемых реализаций включается суффикс «Managed» (например SHA1Managed). Такие реализации не опираются на CryptoAPI и содержат исключительно управляемый код.

При создании экземпляра одного из конкретных классов исходные конструкторы всегда записывают в параметры объекта разумные и безопасные значения (если это возможно). Так, алгоритмы асимметричного шифрования, опирающиеся на криптографию с открытым ключом, генерируют случайную пару ключей, а алгоритмы симметричного шифрования — случайный ключ и вектор инициализации(initialization vector, IV); при этом они автоматически настраивают такие свойства, как Mode и Padding. Более того, алгоритмы второго типа по умолчанию стараются использовать «стойкие» значения.

Второй основной набор классов в пространстве имен System.Security.Cryptography включает как классы, реально применяемые в процессе шифрования и расшифровки данных, так и разнообразные вспомогательные классы. Это пространство имен содержит, например, абстрактный класс RandomNumberGenerator, от которого наследуют классы RNGCryptoServiceProvider, ToBase64Transform и FromBase64Transform (используются при соответствующих преобразованиях данных).

Пространство имен Cryptography не только предоставляет алгоритмы шифрования, но и содержит дочернее пространство имен Х509Certificates. Последнее объединяет всего три класса, предназначенных для операций с сертификатами Authenticode X.509 v.3. Класс X509Certificate предоставляет статические методы CreateFromCertFile и CreateFromSignedFile для создания экземпляра сертификата:

X509Certificate с = X509Certificate.CreateFromCertFile(«myCert.cer»);
Console.WriteLine(c.GetName);
Console.WriteLine(c.GetPublicKeyString);
Console.WriteLine(c.GetSerialNumberString);
Console.WriteLine(c.GetExpirationDateString);

В пространстве имен Cryptography также присутствует дочернее пространство имен XML, используемое системой защиты .NET Framework для цифровой подписи XML-объектов в соответствии с проектом WSC-спецификации по синтаксису и обработке XML-подписей (http://www.w3.org/TR/2000/WD-xmldsig-core-20000228/).

За обмен сессионными ключами в .NET отвечают классы RSAOAEPKeyExchangeFormatter/Deformatter и RSAPKCS1KeyExchangeFormatter/Deformatter. Они унаследованы от базовых классов AsymmetricKeyExchangeFormatter/Deformatter, предоставляющих методы CreateKeyExchange и DecryptKeyExchange для шифрования и дешифрации сессионных ключей, соответственно.

RSACryptoServiceProvider rsa1 = new RSACryptoServiceProvider(1024); // получатель ключа
RSAParameters rp = rsa1.ExportParameters(false);
Console.WriteLine(«Passing public key to sender…»);
// передаем открытый ключ отправителю
//…

RSACryptoServiceProvider rsa2 = new RSACryptoServiceProvider(1024); // отправитель ключа
Console.WriteLine(«Importing receiver’s public key…»);
// импортируем открытый ключ получателя
rsa2.ImportParameters(rp);
AsymmetricKeyExchangeFormatter kf = (AsymmetricKeyExchangeFormatter) new RSAOAEPKeyExchangeFormatter(rsa2);
byte[] key = new Byte[16]; // 128-битный ключ
byte[] enckey = kf.CreateKeyExchange(key);
Console.WriteLine(«Sending encrypted session key to receiver…»);
// передаем зашифрованный сессионный ключ получателю
//…

AsymmetricKeyExchangeDeformatter kd = (AsymmetricKeyExchangeDeformatter) new RSAOAEPKeyExchangeDeformatter(rsa1);
// Расшифровываем ключ
byte[] deckey = kd.DecryptKeyExchange(enckey);
for(int i = 0; i < 16; i++)
if (deckey[i] != key[i])
{
Console.WriteLine(«Key exchange failed»);
}
Console.WriteLine(«Key exchange succeeded»);

Пространство имен Cryptography содержит базовый класс HashAlgorithm и производные классы, поддерживающие алгоритмы MD5, SHA1, SHA256, SHA384 и SHA512. Алгоритм MD5 дает 128 битный хеш, a SHA1 — 160 битный. Числа в названиях других версий SHA-алгоритмов соответствуют длине создаваемых ими хешей. Чем больше хеш, тем надежнее алгоритм и тем труднее его взломать. Все эти алгоритмы реализованы в двух версиях: на основе управляемого и неуправляемого кода.

HashAlqorithm
|— KeyedHashAlgorithm
|      |— HMACSHA1
|      |— MACTripleDES
|— MD5
|      |— MD5CryptoServiceProvider
|— SHA1
|      |— SHA1CryptoServiceProvider
|      |— SHA1Managed
|— SHA256
|      |— SHA256Managed
|— SHA384
|      |— SHA384Managed
|— SHA512
|      |— SHA512Managed
Иерархия хеширующих алгоритмов

Чтобы вычислить дайджест, нужно просто создать экземпляр класса алгоритма хеширования и вызвать его перегруженный метод ComputeHash, наследуемый от HashAlgorithm:

FileStream fsData = new FileStream(«mydata.txt»,FileHode.Open, FileAccess.Read);
Byte[] digest;
SHA512Managed oSHA = new SHA512Managed(digest — oSHA.ComputeHash(fsData));
fsKey.Close()

Здесь методу ComputeHash передается объект Stream, но он принимает и байтовый массив. В пространстве имен Cryptography также имеется абстрактный класс KeyedHashAlgorithm. Алгоритмы, реализованные в классах HMACSHA1 и MACTripleDES, производных от KeyedHashAlgorithm, позволяют генерировать Message Authentication Code (MAC). С помощью MAC можно определить, были ли модифицированы данные, переданные по незащищенному каналу связи, — при условии, что и отправитель, и получатель используют общий секретный ключ.

Метод SignHash классов RSACryptoServiceProvider и DSACryptoServiceProvider вычисляет подпись для созданного по специальному алгоритму хеша данных. Алгоритм хеширования передается в качестве второго параметра в виде идентификатора, который может быть вычислен с помощью функции MapNameToOID. Для RSACryptoServiceProvider это SHA1 и MD5, а для DSACryptoServiceProvider — только SHA1.

rsaCSP.SignHash(hashedData, CryptoConfig.MapNameToOID(«SHA1»));

Классы RSAPKCS1SignatureFormatter/Deformatter и DSASignatureFormatter/Deformatter создают цифровую подпись. Обе пары классов унаследованы от классов AsymmetricSignatureFormatter/Deformatter, предоставляющих стандартный интерфейс создания и верификации цифровой подписи — методы CreateSignature и VerifySignature. Перед вычислением или проверкой цифровой подписи нужно обязательно установить алгоритм хеширования, который будет использоваться в процессе работы, с помощью вызова SetHashAlgorithm. RSAPKCS1SignatureFormatter понимает два алгоритма хеширования — MD5 и SHA1, а DSASignatureFormatter — только SHA1.

// создание цифровой подписи RSA
AsymmetricSignatureFormatter sf;
sf = (AsymmetricSignatureFormatter) new RSAPKCS1SignatureFormatter(rsa); // создаем форматер
sf.SetHashAlgorithm(«MD5»); // выбираем алгоритм хеширования
sig = sf.CreateSignature(Hash); // создаем подпись (хеш должен быть уже посчитан ранее)

//проверка цифровой подписи RSA
AsymmetricSignatureDeformatter df;
df = (AsymmetricSignatureDeformatter) new RSAPKCS1SignatureDeformatter(rsa); // создаем деформатер
df.SetHashAlgorithm(«MD5»);
if (df.VerifySignature(Hash, sig)) // проверяем подпись
{
// подпись верна
}
else
{
// подпись неверна
}

Хотя ограничения на экспорт средств стойкого шифрования сняты, .NET Framework не будет использовать стойкое шифрование для неуправляемых реализаций, если вы приобрели операционную систему в экспортной версии.

Чтобы обойти это препятствие, установите High Encryption Pack (он входит в Service Pack 2 для Windows 2000, который можно скачать по адресу http://www.microsoft.com/windows2000/downloads/recommended/encryption).

Для Windows NT 4.0 сервисные пакеты распространяются как в стандартной версии, так и в версии со стойким шифрованием. Если у вас ещё не установлен такой сервисный пакет, скачайте ServicePack SP6 в версии со стойким шифрованием по адресу http://www.microsoft.com/ntserver/nts/downloads/recommended/SP6/allSP6.asp).

В случае Windows Me, Windows 98 и Windows 95 пакет HighEncryptionPack устанавливается вместе с Microsoft Internet Explorer 5.5. Если ваша версия Internet Explorer ниже 5.5, скачайте соответствующий HighEncryptionPack по адресу http://www.microsoft.com/windows/ie/download/128bit/default.asp).

• Криптопровайдер
• Криптография
• Java Cryptography Architecture

• Ю. Е. Купцевич. Альманах программиста, том 4. Безопасность в Microsoft .NET. — М.: Издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2004. — 304 с. — ISBN 5–7502–0184–8.

• Delphi и Windows API для защиты секретов
• Шифрование в .NET
• Хеширование, шифрование и цифровая подпись с использованием CryptoAPI и .NET
• Создание и верификация цифровой подписи в CryptoAPI через сертификат открытого ключа (недоступная ссылка)