.NET 中的 RSA 加密/解密问题

Question

我在使用 RSA 进行 C# 加密和解密时遇到问题。我开发了一个网络服务，将发送敏感的财务信息和交易。我希望能够在客户端使用客户端 RSA 私钥加密某些字段，一旦到达我的服务，它将使用客户端公钥进行解密。

目前，我不断收到“要解密的数据超出了 128 字节模数的最大值”。例外。我对 C# RSA 加密技术了解不多，因此我们将不胜感激。

这是我用来生成密钥的方法。

private void buttonGenerate_Click(object sender, EventArgs e)
{
    string secretKey = RandomString(12, true);

    CspParameters param = new CspParameters();
    param.Flags = CspProviderFlags.UseMachineKeyStore;

    SecureString secureString = new SecureString();
    byte[] stringBytes = Encoding.ASCII.GetBytes(secretKey);
    for (int i = 0; i < stringBytes.Length; i++)
    {
        secureString.AppendChar((char)stringBytes[i]);
    }
    secureString.MakeReadOnly();
    param.KeyPassword = secureString;

    RSACryptoServiceProvider rsaProvider = new RSACryptoServiceProvider(param);
    rsaProvider = (RSACryptoServiceProvider)RSACryptoServiceProvider.Create();
    rsaProvider.KeySize = 1024;


    string publicKey = rsaProvider.ToXmlString(false);
    string privateKey = rsaProvider.ToXmlString(true);

    Repository.RSA_XML_PRIVATE_KEY = privateKey;
    Repository.RSA_XML_PUBLIC_KEY = publicKey;

    textBoxRsaPrivate.Text = Repository.RSA_XML_PRIVATE_KEY;
    textBoxRsaPublic.Text = Repository.RSA_XML_PUBLIC_KEY;

    MessageBox.Show("Please note, when generating keys you must sign on to the gateway\n" +
        " to exhange keys otherwise transactions will fail", "Key Exchange", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information);

}

生成密钥后，我将公钥发送到 Web 服务，该服务将其存储为 XML 文件。

现在我决定对此进行测试，因此这是我加密字符串的方法，

public static string RsaEncrypt(string dataToEncrypt)
{
    string rsaPrivate = RSA_XML_PRIVATE_KEY;
    CspParameters csp = new CspParameters();
    csp.Flags = CspProviderFlags.UseMachineKeyStore;

    RSACryptoServiceProvider provider = new RSACryptoServiceProvider(csp);

    provider.FromXmlString(rsaPrivate);

    ASCIIEncoding enc = new ASCIIEncoding();
    int numOfChars = enc.GetByteCount(dataToEncrypt);
    byte[] tempArray = enc.GetBytes(dataToEncrypt);
    byte[] result = provider.Encrypt(tempArray, true);
    string resultString = Convert.ToBase64String(result);
    Console.WriteLine("Encrypted : " + resultString);
    return resultString;
}

我确实得到了似乎是加密值的值。在我创建的测试加密 Web 方法中，我获取此加密数据，尝试使用客户端公钥解密数据，并将其以明文形式发回。但这就是抛出异常的地方。这是我负责此的方法。

public string DecryptRSA(string data, string merchantId)
{
    string clearData = null;
    try
    {
        CspParameters param = new CspParameters();
        param.Flags = CspProviderFlags.UseMachineKeyStore;
        RSACryptoServiceProvider rsaProvider = new RSACryptoServiceProvider(param);

        string merchantRsaPublic = GetXmlRsaKey(merchantId);
        rsaProvider.FromXmlString(merchantRsaPublic);
        byte[] asciiString = Encoding.ASCII.GetBytes(data);

        byte[] decryptedData = rsaProvider.Decrypt(asciiString, false);

        clearData = Convert.ToString(decryptedData);
    }
    catch (CryptographicException ex)
    {
        Log.Error("A cryptographic error occured trying to decrypt a value for " + merchantId, ex);

    }
    return clearData;
}

如果有人能帮助我，那就太棒了，正如我所说，我在 C# RSA 加密/解密方面还没有做太多事情。

Answer 1

请允许我使用一些术语。有非对称加密和数字签名。

• 非对称加密是为了保密。一些敏感数据被转换成不可读的东西，除了知道解密密钥的实体。解密密钥必然是私钥：如果解密密钥是公钥，那么每个人都可以解密数据（公钥是公开的）并且不再有机密性。在非对称加密中，使用公钥进行加密，并使用相应的私钥进行解密。

• 数字签名旨在证明完整性。有人对数据计算一种密钥校验和，以便稍后可以验证校验和与数据之间的链接。这是一个“签名”，只是因为计算校验和的能力需要了解一些不公开的信息——简单来说，签名使用私钥。然而，任何人都应该可以进行验证，因此可以使用公钥。

“RSA”算法实际上是一种数学运算，可以归结为非对称加密系统和数字签名系统，这一事实隐含着相当大的混乱。 RSA 标准（又名 PKCS#1）进一步加剧了这种混乱，这隐含地依赖于 RSA 数字签名的最初描述方式，即“反向加密”（“签名者用他的私钥加密数据”）。这导致了诸如称为“sha1WithRSAEncryption”的 RSA 签名之类的事情。这是相当不幸的。

因此，您必须首先决定是否需要保密或签名。为了保密，对于从客户端发送到服务器的数据，服务器应拥有私钥，客户端使用服务器公钥来加密数据。对于签名，每个客户端都应该有自己的私钥，并用它来对数据进行签名，服务器验证签名。从你的描述中，我无法判断你真正想要什么，这要归功于我上面提到的混乱。

此外，还有一种称为“身份验证”的东西，它可能看起来像数字签名，但功能较弱。签名的要点是任何人都可以验证签名。特别是，签名可以向法官展示，从而作为针对签名者的法律武器（签名具有法律约束力——至少如果你做得正确的话，并且在当前的法规状态下）通过电子签名，这并不容易）。在大多数情况下，您只需要一些更弱和更简单的东西，其中服务器确信它与正确的客户端对话，但事后无法说服其他任何人该客户端确实存在。任何具有用户密码的网站都在使用此类身份验证。

话虽这么说...

• RSA 非对称加密仅涵盖短消息。对于 1024 位 RSA 密钥（即密钥中最重要的部分“RSA 模数”是一个值在 2^1023 到 2^1024 之间的大数，加密消息的长度为 128 字节），加密消息的最大大小为 117 字节（这是错误消息的实际来源）。当我们想要发送更长的消息时，我们使用混合系统，在该系统中，我们仅加密一小堆随机位（例如 128 位），并将该堆用作对称加密系统的密钥（例如 AES），它可以处理更长的消息（而且速度也更快）。

• 同样，RSA 签名只能在短消息上计算，因此 PKCS#1 标准要求签名实际上是根据哈希值计算的。哈希值是特定哈希函数的输出，它是根据要签名的消息计算得出的。散列函数具有固定大小的输出（例如，SHA-256 为 256 位），但接受（几乎）任意长度的输入消息。哈希函数是公共的（其中没有密钥），并且为了适当的安全性，必须具有一些特殊属性。目前，SHA-256 是一个不错的选择。 SHA-1（SHA-256 的前身）已被证明有一些弱点，应该避免。 MD5（SHA-1 的一种叔叔）有更大的弱点，不应使用。

• 正确使用非对称加密（尤其是在混合方案中）和数字签名，比上面的文本所建议的更棘手。在某些时候很容易犯错误，不可见，即代码看起来可以工作，但会泄露对攻击者有用的数据。使用非对称加密或数字签名的正确方法是依赖现有的、经过深思熟虑的协议。协议是将密码元素组合成一个连贯的系统，并在其中处理泄漏问题。最好的例子是 TLS，也称为 SSL。它是一种确保机密数据传输、完整性和身份验证（可能是相互身份验证）的协议。 HTTPS 协议是 HTTP 和 SSL 的混合。好的一面是 HTTPS 已有实现，特别是在 C# 中。最容易实现和调试的代码是已经实现和调试的代码。因此，使用 HTTPS，您会活得更长久、更快乐。

Answer 2

我明白你为什么问这个问题。问题在于 RSA 的使用方式与典型的分组密码（如 AES 或 3DES）不同，全天一次加密 8 个字节。 RSA 是一种数学运算，返回除法的余数（模数）。回到小学，当你学习长除法时，请记住余数永远不能大于除数：如果你将 20 除以 7，你的余数是 6。无论你除以什么整数，余数都不能大于除数比六个。

RSA 数学也是同样的道理。例如，如果您使用 1024 位 RSA 公钥，则余数永远不能大于 2^1024，即 128 字节。所以用这个密钥一次只能加密128个字节。 （这是我们通过位数来衡量 RSA 密钥大小的原因之一。）

从技术上讲，您可以在循环中使用此 RSA 密钥一次加密 128 字节的数据块。实际上，我们几乎从不这样做，因为 RSA 数学运算庞大且缓慢。相反，我们使用所谓的“两阶段”加密。我们使用 RSA 仅加密一个短的“会话密钥”，然后在快速对称密钥块密码（如 AES）中使用该会话密钥来加密实际数据。

整个协议是：

1. 获取目的地的RSA公钥。这通常嵌入在证书中提供；如果是，请务必验证证书以确保密钥是真实的。假设 RSA 密钥的长度为 2048 位。
2. 生成加密强度高的伪随机数，用作分组密码的密钥（例如，您需要 256 位作为 AES-256 的密钥。）请注意，256 < 2048，RSA-2048 一次可以加密的最大值。我们将此随机数称为“会话密钥”。
3. 使用 RSA 2048 位公钥加密会话密钥。它将为您提供 2048 位的加密会话密钥。请注意，此操作非常慢。
4. 使用会话密钥，使用 AES-256 加密所有秘密数据。请注意，这比步骤 3 快得多。
5. 将证书中的公钥 ID、RSA 加密的会话密钥和 AES 加密的数据捆绑在一起。我还会用格式标识符和版本号对其进行标记，以便您知道它的格式以及如何解密它。

6. 将捆绑包发送到目标。

7. 在目的地，您使用格式标识符和版本来分解捆绑包。

8. 检索其身份位于公钥 ID 字段中的私钥。
9. 在 RSA 中使用此私钥来解密会话密钥。
10. 使用 AES 中的会话密钥来解密数据。

如果您打算这样做，您应该知道这正是 CMS (PKCS#7) 格式的用途。我鼓励您了解该标准并采用它，而不是试图发明自己的格式。 Microsoft 的 CSP 支持它，因此应该很容易。

如果您不遵循标准，您将不得不自己做出决定，例如“在 RSA 加密过程中 AES 密钥位应采用什么格式？”更有可能的是，您几乎肯定会犯安全错误，从而削弱您的系统。此外，您会发现，如果不遵循标准，CSP 等工具将很难使用。

Answer 3

在 DecryptRSA 中，“数据”是基于 64 编码的吗？如果是，您必须先撤消该操作。

老实说，我认为您不应该自己实施该例程来保护“敏感的财务信息”，除非您在密码学方面拥有丰富的经验。犯错误的方法太多了。最好使用一些现成的解决方案 - 也许是 SSL 和证书，或者只是 PGP 或 GnuPG？

Answer 4

RSA 主要用于验证数据的安全哈希值，而不是加密数据本身。因此，给定大量数据，您可以使用 SHA512 创建该数据的哈希值，然后使用 RSA 对该哈希值进行签名。

您需要对大数据块使用对称加密算法 - 例如 AES 或 3DES。

管理安全交易并不容易，确实应该留给那些日夜思考的人。如果您通过网络公开服务，只需使用已加密并保护您的数据的 SSL。

Answer 5

首先决定您要防止什么。如果您使用私钥“加密”某些内容，则任何人都可以使用公钥“解密”它，因为公钥是 - 嗯 - 公共。

如果您确实想对其进行签名，则应该（正如 Paul Alexander 所解释的那样）使用私钥对哈希进行签名，然后可以在服务器上对其进行验证。

要使用 RSA 加密数据，您应该首先生成随机对称密钥 (fx AES)，使用公钥加密密钥，然后使用对称密钥加密数据。然后，您可以将加密的密钥与加密的数据一起传输给私钥的持有者，然后该持有者可以首先使用私钥解密加密的密钥，然后使用对称密钥解密数据。

您也可以考虑使用 SSL，但请记住仔细考虑身份验证。您可能需要客户端身份验证，并且必须决定信任哪些证书（您不应盲目接受 Verisign 颁发的任何证书）。