实验一-密码引擎-加密API研究

任务详情
密码引擎API的主要标准和规范包括：
1 微软的Crypto API
2 RAS公司的PKCS#11标准
3 中国商用密码标准：GMT 0016-2012 智能密码钥匙密码应用接口规范，GMT 0018-2012密码设备应用接口规范等

研究以上API接口，总结他们的异同，并以龙脉GM3000Key为例，写出调用不同接口的代码，提交博客链接和代码链接。
内容：
0 查找各种标准的原始文档，研究学习（至少包含Crypto API,PKCS#11,GMT 0016-2012,GMT 0018-2012）（5分）
1 总结这些API在编程中的使用方式（5分）
2 列出这些API包含的函数，进行分类，并总结它们的异同（10分）
3 以龙脉GM3000Key为例，写出调用不同接口的代码（Crypto API,PKCS#11，SKF接口），把运行截图加入博客，并提供代码链接（10分）

一、查找各种标准的原始文档，研究学习

微软的Crypto API

crypto API提供了对称加密和非对称加密，并且提供了各种加密、解密的算法，要使用相应的算法进行加密解密，只需要对生成密钥的函数的相关参数改变一下即可。
加密与解密流程图：

CryptoAPI是一组函数，为了完成数学计算，必须具有密码服务提供者模块（CSP）。Microsoft通过捆绑RSA Base Provider在操作系统级提供一个CSP，使用RSA公司的公钥加密算法，更多的CSP可以根据需要增加到应用中。事实上，CSP有可能与特殊硬件设备（如智能卡）一起来进行数据加密。CryptoAPI接口允许简单的函数调用来加密数据，交换公钥，散列一个消息来建立摘要以及生成数字签名。它还提供高级的管理操作，如从一组可能的CSP中使用一个CSP。此外，CryptoAPI还为许多高级安全性服务提供了基础，包括用于电子商务的SET，用于加密客户机/服务器消息的PCT，用于在各个平台之间来回传递机密数据和密钥的PFX，代码签名等等。

PKCS#11

在密码系统中，PKCS#11是公钥加密标准（PKCS, Public-Key Cryptography Standards）中的一份子 ，由RSA实验室(RSA Laboratories)发布[1]，它为加密令牌定义了一组平台无关的API ，如硬件安全模块和智能卡。
由于没有一个真正的标准加密令牌，这个API已经发展成为一个通用的加密令牌的抽象层。 PKCS#11 API定义最常用的加密对象类型（ RSA密钥，X.509证书，DES /三重DES密钥等）和所有需要使用的功能，创建/生成，修改和删除这些对象。注意：pkcs#11只提供了接口的定义， 不包括接口的实现，一般接口的实现是由设备提供商提供的，如usbkey的生产厂商会提供 符合PKCS#11接口标准的API的实现。这样你只要通过接口调用API函数即可实现其功能。
架构

GMT 0016-2012

下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
①GM/T 0006 密码应用标识规范
②GM/T0009 SM2密码算法使用规范

术语和定义
下列术语和定义适用于本文件

应用 application
包括容器、设备认证密钥和文件的一种结构，具备独立的权限管理。

容器container
密码设备中用于保存密钥所划分的唯一性存储空间。

设备device
本标准中将智能密码钥匙统称为设备

设备认证 device authentication智能密码钥匙对应用程序的认证
设备认证密钥 device authentication key用于设备认证的密钥。
设备标签 label
设备的别名，可以由用户进行设定并存储于设备内部。

消息鉴别码 message authentication code; MAC消息鉴别算法的输出。
管理员PIN administrator PIN管理员的口令，为ASCII字符串
用户PIN user PIN
用户的口令，为ASCII字符串。

缩略语
下列缩略语适用于本规范: API 应用编程接口(Application Programming Interface)
PKI 公钥基础设施(Public Key Infrastructure)
PKCS#1
公钥密码使用标准系列规范中的第1部分，定义RSA公开密钥算法加密和签名机制(the Public-Key Cryptography Standard Part 1)
PKCS#5 公钥密码使用标准系列规范中的第5部分，描述一种利用从口令派生出来的安全密
钥加密字符串的方法(the Public-Key Cryptography Standard Part 5)
PIN 个人身份识别码(Personal Identification Number)
MAC 消息鉴别码(Message Authentication Code)

GMT 0018-2012

二、总结这些API在编程中的使用方式

Crypto API

密钥管理
在CryptoAPI中，支持两种类型的密钥：会话密钥、公/私密钥对。会话密钥也成为对称密钥，用于对称加密算法。为了保证密钥的安全性，在CryptoAPI中，这些密钥都保存在CSP内部，用户可以通过CryptExpoetKey以加密密钥快形式导出。公/私钥对用于非对称加密算法。非对称加密算法主要用于加解密会话密钥和数字签名。在CryptoAPI中，一般来说，大多数CSP产生的密钥容器包含两对密钥对，一对用于加密会话密钥，称为交换密钥对，一对用于产生数字签名，称为签名密钥对。在CryptoAPI中，所有的密钥都存储在CSP中，CSP负责密钥的创建，销毁，导入导出等操作。

数据编码/解码
CryptoAPI采用的编码方式为ASN.1，编码规则为DER，表示发送方发送数据时先把数据抽象为ASN.1对象，然后使用DER编码规则把ASN.1对象转化为可传输的0、1串；接受方接受到数据后，利用DER解码规则把0、1串转化为ASN.1对象，然后把ASN.1对象转化为具体应用支持的数据对象。

数据加/解密
在CryptoAPI中约定加密较大的数据块时，采用对称加密算法。通过其封装好的加解密函数来实现数据解加密操作。

哈希与数字签名
哈希与数字签名一般用于数据的完整性验证和身份鉴别。CryptoAPI中，通过其封装好的哈希与数字签名函数来实现相关操作。微软公司提供的CSP产生的数字签名遵循RSA标准（PKCS#6）.

数字证书管理
数字证书主要用于安全通信中的身份鉴别。CryptoAPI中，对数字证书的使用管理函数分为证书与证书库函数、证书验证函数两大部分。

在VC++中开发CryptoAPI应用程序，需要预先设置一些编译环境。

1.需要包含以下头文件：

·#include <windows.h>

·#include <wincrypt.h>

2.包含的静态链接库：

链接CryptoAPI函数必须有静态库Crypto32.lib的支持，部分CryptoAPI函数可能还需要静态库advapi32.lib及CryptUI.lib的支持。

3.假如在VC++6.0上编译程序，则还需加上以下语句：

·#ifndef _WIN32_WINNT

·#define _WIN32_WINNT 0x0400

·#endif

三、列出这些API包含的函数，进行分类，并总结它们的异同

Crypto API

以下介绍几个编写Crypto API应用程序常用到得函数。

1.BOOLEAN CRYPTFUNC CryptAcquireContext(
HCRYPTPROV* phProv,   CSP句柄
LPCTSTR pszContainer,   密钥容器名称，指向密钥容器的字符串指针
LPCTSTR pszProvider,    指向CSP名称的字符串指针，如果为NULL，则使用默认的CSP
DWORD dwProvType, CSP类型
DWORD dwFlags 标志
);

这个函数是为了获得CSP句柄，函数通过phProv参数返回获得的CSP句柄。在CryptoAPI加密服务相关的所有操作都在CSP实现，CSP真正实行加密相关服务的独立模块，当应用程序需要加密相关服务时，比如：加解密操作、密钥产生于管理等，必须先获取某个CSP句柄。这时一般CryptoAPI编程的第一步。

2.BOOL CRYPTFUNC CryptGenKey(
HCRYPTPROV hProv,   //CSP句柄
ALG_ID Algid, //算法标志ID值。创建会话密钥时，它指定具体的加解密算法。指定算法时应注意具体的  

                         // CSP是否支持此算法。创建公/私密钥对时，参数应为AT_KEYEXCHANGE(交换密钥对)

                         //或AT_SIGNATURE(签名密钥对）。
DWORD dwFlags,    //说明创建密钥的长度及其它属性。
HCRYPTKEY* phKey   //新创建密钥句柄，函数通过这个参数返回创建密钥句柄。
);

在CryptoAPI中，构造密钥一般有两种方法，一通过哈希值，而通过随机数构造。上面这种就是通过随机数创建的。下面介绍利用哈希值创建的函数。

BOOL CRYPTFUNC CryptDeriveKey(
HCRYPTPROV hProv,
ALG_ID Algid,     //要产生密钥的对称加密算法
HCRYPTHASH hBaseData,    //哈希句柄，函数根据这个哈希句柄创建密钥。
DWORD dwFlags,    //指定密钥的类型。
HCRYPTKEY* phKey   //密钥句柄，函数通过这个参数返回创建的密钥句柄。
);

这个函数通过输入的哈希值hBaseData来创建一个密钥，通过密钥句柄phKey参数返回。注意：这个函数只能创建会话密钥，不能用于创建公/私密钥对。

3.BOOL CRYPTFUNC CryptCreateHash(
HCRYPTPROV hProv, //CSP句柄
ALG_ID Algid,   //哈希算法标识符
HCRYPTKEY hKey, // 如果哈希算法是密钥哈希，如HMACH或者MAC算法，就用此密钥句柄传递密钥。

                                   //对于非密钥算法，此参数为NULL。
DWORD dwFlags,   //保留，必须为0
HCRYPTHASH* phHash //哈希句柄，函数通过这个参数返回创建的哈希对象句柄。
);

这个函数初始化一个哈希句柄，它创建并返回一个CSP哈希句柄。

4.BOOL WINAPI CryptHashData(
HCRYPTHASH hHash,    //哈希句柄，创建的哈希值通过这个句柄返回
BYTE* pbData,    //指向要加入到哈希句柄的数据指针
DWORD dwDataLen,   // 数据长度
DWORD dwFlags   //标志
);

这个函数是计算一段数据的哈希值并加入到指定的哈希句柄中。在使用这个函数前必须通过CrpytHashData函数创建了一个哈希句柄。

5.BOOL WINAPI CryptEncodeObject(
__in          DWORD dwCertEncodingType,    //使用的编码类型。通常为 X509_ASN_ENCODING |

                                                                               //PKCS_7_ASN_ENCODING
__in          LPCSTR lpszStructType,            //要编码的结构体类型
__in          const void* pvStructInfo,   //欲编码的结构体指针，要和lpszStructType类型一致
__out         BYTE* pbEncoded,    //编码后结构体指针，当设置为NULL时用于获取其长度
__in_out      DWORD* pcbEncoded   //编码后的结构体长度
);

这个函数用于将pvStructInfo所指向的数据按照lpszStructType结构体类型编码。

6.BOOL WINAPI CryptDecodeObject(
__in          DWORD dwCertEncodingType,
__in          LPCSTR lpszStructType,
__in          const BYTE* pbEncoded,
__in          DWORD cbEncoded,
__in          DWORD dwFlags,
__out         void* pvStructInfo,
__in_out      DWORD* pcbStructInfo
);

这个函数是对上面编码后的数据进行解码，参数和上面编码函数的参数差不多，具体可以查看MSDN帮助文档。

PKCS#11

根据机制标记，可以分为几类：
CKF_ENCRYPT：加密类
CKF_DECRYPT：解密类
CKF_DIGEST：摘要类
CKF_SIGN：签名类
CKF_SIGN_RECOVER：可恢复签名类
CKF_VERIFY：验证类
CKF_VERIFY_RECOVER：可恢复验证类
CKF_GENERATE：密钥产生
CKF_GENERATE_KEY_PAIR：密钥对产生
CKF_WRAP：密钥封装
CKF_UNWRAP：密钥解封
CKF_DERIVE：密钥派生
1、通用接口

2、加密与解密

3、签名和消息鉴别

GMT 0016-2012

下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
①GM/T 0006 密码应用标识规范
②GM/T0009 SM2密码算法使用规范

术语和定义
下列术语和定义适用于本文件

应用 application
包括容器、设备认证密钥和文件的一种结构，具备独立的权限管理。

容器container
密码设备中用于保存密钥所划分的唯一性存储空间。

设备device
本标准中将智能密码钥匙统称为设备

设备认证 device authentication智能密码钥匙对应用程序的认证
设备认证密钥 device authentication key用于设备认证的密钥。
设备标签 label
设备的别名，可以由用户进行设定并存储于设备内部。

消息鉴别码 message authentication code; MAC消息鉴别算法的输出。
管理员PIN administrator PIN管理员的口令，为ASCII字符串
用户PIN user PIN
用户的口令，为ASCII字符串。

GMT 0018-2012

2、设备管理类函数

Ａ． 打开设备：SDF_OpenDevice

Ｂ． 关闭设备：SDF_CloseDevice

Ｃ． 创建会话：SDF_OpenSession

Ｄ． 关闭会话：SDF_CloseSession

Ｅ． 获取设备信息：SDF_GetDeviceInfo

Ｆ． 产生随机数：SDF_GenerateRandom

Ｇ． 获取私钥使用权限：SDF_GetPrivateKeyAccessRight

Ｈ． 释放私钥使用权限：SDF_ReleasePrivateKeyAccessRight

3、密钥管理类函数

Ａ． 导出RSA签名公钥：SDF_ExportSignPublicKey_RSA

Ｂ． 导出RSA加密公钥：SDF_ExportEncPublicKey_RSA

Ｃ． 产生RSA非对称密钥对并输出：SDF_GenerateKeyPair_RSA

Ｄ． 生成会话密钥并用内部RSA公钥加密输出：SDF_GenerateKeyWithIPK_RSA

Ｅ． 生成会话密钥并用外部RSA公钥加密输出：SDF_GenerateKeyWithEPK_RSA

Ｆ． 导入会话密钥并用内部RSA私钥解密：SDF_ImportKeyWithISK_RSA

Ｇ． 基于RSA算法的数字信封转换：SDF_ExchangeDigitEnvelopeBaseOnRSA

Ｈ． 导出ECC签名公钥：SDF_ExportSignPublicKey_ECC

Ｉ． 导出ECC加密公钥：SDF_ExportEncPublicKey_ECC

Ｊ． 产生ECC非对称密钥对并输出：SDF_GenerateKeyPair_ECC

Ｋ． 生成会话密钥并用内部ECC公钥加密输出：SDF_GenerateKeyWithIPK_ECC

Ｌ． 生成会话密钥并用外部ECC公钥加密输出：SDF_GenerateKeyWithEPK_ECC

Ｍ． 导入会话密钥并用内部ECC私钥解密：SDF_ImportKeyWithＩＳＫ_ECC

Ｎ． 生成密钥协商参数并输出：SDF_GenerateAgreementDataWithECC

Ｏ． 计算会话密钥：SDF_GenerateKeyWithECC

Ｐ． 产生协商数据并计算会话密钥：SDF_GenerateAgreementDataAndKeyWithECC

Ｑ． 基于ECC算法的数字信封转换：SDF_ExchangeDigitEnvelopeBaseOnECC

Ｒ． 生成会话密钥并用密钥加密密钥加密输出：SDF_GenerateKeyWithKEK

Ｓ． 导入会话密钥并用密钥加密密钥解密：SDF_ImportKeyWithKEK

Ｔ． 导入明文会话密钥：SDF_ImportKey

Ｕ． 销毁会话密钥：SDF_DestroyKey

4、非对称算法运算类函数

● 外部公钥RSA运算：SDF_ExternalPublicKeyOperation_RSA

● 外部私钥RSA运算：SDF_ExternalPrivateKeyOperation_RSA

● 内部公钥RSA运算：SDF_InternalPublicKeyOperation_RSA

● 内部私钥RSA运算：SDF_InternalPrivateKeyOperation_RSA

● 外部密钥ECC签名：SDF_ExternalSign_ECC

● 外部密钥ECC验证：SDF_ExternalVerify_ECC

● 内部密钥ECC签名：SDF_InternalSign_ECC

● 内部密钥ECC验证：SDF_InternalVerify_ECC

● 外部密钥ECC加密：SDF_ExternalEncrypt_ECC

● 外部密钥ECC解密：SDF_ExternalDecrypt_ECC

5、对称算法运算类函数

● 对称加密：SDF_Encrypt

● 对称解密：SDF_Decrypt

● 计算MAC：SDF_CalculateMAC

6、杂凑运算类函数

● 杂凑运算初始化：SDF_HashInit

● 多包杂凑运算：SDF_HashUpdate

● 杂凑运算结束：SDF_HashFinal

７、用户文件操作类函数 Ａ） 创建文件：SDF_CreateFile Ｂ） 读取文件：SDF_ReadFile Ｃ） 写文件：SDF_WriteFile Ｄ） 删除文件：SDF_DeleteFile

四、以龙脉GM3000Key为例，写出调用不同接口的代码（Crypto API,PKCS#11，SKF接口），把运行截图加入博客，并提供代码链接

PKCS#11

pkcstest

getusbinfo

能够看到正确显示了key的信息

SKF

输入密码：

EncryptData

输入口令：

Crypto API

encryptfile

输入文件名：

输入password：

输入口令：