Communicator 类的代码分析（CNG 示例）

项目
05/17/2010

Communicator.cs 文件封装了下一代加密技术 (CNG) 安全通信示例的加密和解密方法。该文件仅包含一个名为 Communicator 的类。该类包含下面几节讨论的成员和方法：

类成员
类构造函数
Dispose 方法
StoreDSKey 方法
Send_or_Receive_PublicCryptoKey 方法
SendMessage 方法
ReceiveMessage 方法

有关本主题提到的版本的示例和说明的概述，请参见下一代加密技术 (CNG) 安全通信示例。

类成员

Communicator 类包含下列私有成员：

CngKey m_DSKey

Communicator.StoreDSKey 使用该成员存储一个数字签名密钥。
ECDiffieHellmanCng m_ECDH_Cng

构造函数使用该成员存储 ECDiffieHellmanCng 类的一个实例。ReceiveMessage 和 SendMessage 方法使用该成员派生密钥材料。
string m_ECDH_local_publicKey_XML

构造函数使用该成员存储本地椭圆曲线 Diffie-Hellman (ECDH) 加密公钥的一个 XML 字符串表示形式。Alice、Bob 和 Mallory 使用 Send_or_Receive_PublicCryptoKey 方法交换此 XML 字符串。
ECDiffieHellmanPublicKey m_ECDH_remote_publicKey

Send_or_Receive_PublicCryptoKey 方法使用该成员存储远程 ECDH 加密公钥。

Communicator 类还提供了下列公共成员：

ChannelManager ChMgr

Alice、Bob 和 Mallory 使用该成员提供命名管道服务。

类构造函数

public Communicator(string mode, string ChannelName)

构造函数创建下面三个对象：

具有随机密钥对的一个 ECDiffieHellmanCng 类实例，使用 521 位的密钥大小：
```
m_ECDH_Cng = new ECDiffieHellmanCng(521)
```
最后生成的对象作为私有成员绑定到 Communicator 类。每个 Communicator 对象创建该类的一个实例。

Alice 和 Bob 各创建一个 Communicator 对象，并且能够分别访问一个 m_ECDH_Cng 成员。Mallory 创建两个 Communicator 对象：一个用于 Alice，另一个用于 Bob。因此，Mallory 能够访问两个 m_ECDH_Cng 成员。
ECDH 公钥作为一个私有 XML 字符串：
```
m_ECDH_XmlString = m_ECDH_CryptoKey.ToXmlString(ECKeyXmlFormat.Rfc4050)
```
ECDiffieHellmanCng.ToXmlString 方法使用 ECKeyXmlFormat.Rfc4050 格式序列化 ECDH 公钥。

在示例的版本 2 至 5 中，Alice 使用以下代码语句在其 Run 方法中向 Bob 发送最后生成的 XML 字符串：
```
Alice.Send_or_Receive_PublicCryptoKey("send", MyColor);
```
ChannelManager 类的一个公共实例：
```
ChMgr = new ChannelManager(mode, ChannelName)
```
构造函数接受下面两个参数：
- mode：指示如何创建命名管道的字符串。此参数可以为“server”或“client”。
- ChannelName：提供名称来标识新命名管道的字符串。

Dispose 方法

public void Dispose()

Communicator 类继承 IDisposable 接口，并提供用于立即释放敏感资源的 Dispose 方法。这包括 m_ECDH_Cng、m_ECDH_local_publicKey_XML 和 ChMgr 对象。

每个对象都是在一个 C# using 语句内创建的，以确保当对象超出范围时立即被释放。

StoreDSKey 方法

public void StoreDSKey(byte[] DSKeyBlob)

此方法接受字节数组中包含的一个二进制大对象 (BLOB)。它使用 CngKey.Import(array<Byte[], CngKeyBlobFormat) 方法从密钥 BLOB 中提取一个数字签名密钥。然后通过以下代码存储该密钥：

m_DSKey = CngKey.Import(DSKeyBlob,CngKeyBlobFormat.Pkcs8PrivateBlob);

Alice、Bob 和 Mallory 根据以下版本，在各自的 Run 方法中调用 StoreDSKey 方法：

在版本 3 至 5 中，Alice、Bob 和 Mallory 使用该方法存储同一个公共传输的密钥。
在版本 4 和 5 中，Alice 和 Bob 第二次调用该方法，并使用私自传输的密钥覆盖 m_DSKey 成员。

Send_or_Receive_PublicCryptoKey 方法

Send_or_Receive_PublicCryptoKey(string mode, int color)

此方法接受两个参数：

mode：一个字符串，指示是创建一个管道服务器发送密钥，还是创建一个管道客户端接收密钥。此参数可以为“server”或“client”。
color：一个整数，指定用于显示密钥的颜色。

Send_or_Receive_PublicCryptoKey 方法与 CommunicatorReceiveMessage 和 SendMessage 方法类似，不同的是它发送或接收未加密的加密密钥，而不是加密消息。ReceiveMessage 和 SendMessage 将尝试对密钥进行加密和解密，因此不能将这两种方法用于加密密钥。

交换密钥之后，示例的版本 3 至 5 验证密钥的数字签名。版本 3 使用一个通过 PublicChannel 命名管道传输的数字签名。该签名被 Mallory 截获并用来签署他发送给 Alice 和 Bob 的替换密钥和消息。由于 Alice、Bob 和 Mallory 使用同一数字签名密钥，因此版本 3 总是能成功进行签名验证。

备注

版本 4 和 5 使用专用数字签名来签署密钥和消息，并显示安全警告。这两个版本只给了 Alice 和 Bob。因此，Mallory 不知道他的截获行为已经被检测到了。

SendMessage 方法

public bool SendMessage(string plainTextMessage, bool fShowMsg)

此方法由 Alice、Bob 和 Mallory 从各自的 Run 方法中调用。此方法按以下步骤加密、数字签名并发送消息：

如果 fShowMsg 值为 true，则显示纯文本消息。

使用以下代码将消息转换为 Unicode 字节数组：

byte[] UnicodeText = Encoding.Unicode.GetBytes(plainTextMessage);

决定是否应该以纯文本形式发送消息。如果示例运行的是版本 1，则 SendMessage 在使用以下代码发送消息后返回。
```
ChMgr.SendMessage(UnicodeText);
```
通过调用 ECDiffieHellmanCng.DeriveKeyMaterial(ECDiffieHellmanPublicKey) 方法派生密钥材料：
```
byte[] aesKey = m_ECDH_Cng.DeriveKeyMaterial(m_ECDH_remote_publicKey)
```

创建一个临时的 Aes 对象：

Aes aes = new AesCryptoServiceProvider()

使用在步骤 4 中派生的密钥材料初始化 Aes 对象：
```
aes.Key = aesKey;
```
创建一个临时的 MemoryStream 对象来存放一个加密字符串。
创建一个临时的 CryptoStream 对象，使用该对象加密消息并将其写入 MemoryStream 对象。
保存密码文本和初始化向量：
```
iv = aes.IV
ciphertext = ms.ToArray();
```
如果示例运行的是版本 3、4 或 5，则按如下所述签署密码文本：
- 创建一个临时的 ECDsaCng.ECDsaCng(CngKey) 对象：
```
ECDsaCng ecdsa = new ECDsaCng(m_DSKey)
```
- 将该对象的 HashAlgorithm 属性初始化为 Sha512 安全哈希算法：
```
ecdsa.HashAlgorithm = CngAlgorithm.Sha512
```
- 通过签署密码文本创建一个数字签名：
```
signature = ecdsa.SignData(ciphertext);
```
如下所述准备输出消息：
- 创建一个三字节的数组来存放消息的初始化向量、密码文本和签名的长度。
- 创建四个 System.Collections.Generic.List<T> 对象来存放前一步骤中的长度数组、初始化向量、密码文本和签名。
- 连接这四个 System.Collections.Generic.List<T> 对象将其转换成一个输出消息字节数组：
```
byte[] message = list1.ToArray();
```
发送输出消息：
```
ChMgr.SendMessage(message)
```

ReceiveMessage 方法

public string ReceiveMessage()

此方法由 Alice、Bob 和 Mallory 从各自的 Run 方法中调用。它接收和解密消息，并验证其数字签名。

消息不作为参数传递给此方法。Communicator 类的 ChannelManager 成员通过使用下面的代码读取消息：

byteBuffer = ChMgr.ReadMessage();

ReceiveMessage 方法执行下列步骤：

决定是否以纯文本形式发送消息。如果示例运行的是版本 1，则消息采用纯文本形式，并且不需要解密。在本例中，消息在使用以下代码转换成一个 ASCII 字符串后返回：
```
AsciiMessage = Encoding.Unicode.GetString(byteBuffer);
```
将消息分为多个组成部分。在版本 2 至 5 中将加密消息。在本例中，消息分为三个单独的字节数组。第一个数组包含初始化向量，第二个数组包含密码文本，第三个数组包含密码文本的数字签名。
如果设置了 fVerbose 标志，则以 ASCII 文本形式显示初始化向量、密码文本和签名。
派生密钥材料。Communicator 类的私有 ECDiffieHellmanCng 成员 m_ECDH_Cng 使用 ECDiffieHellmanCng.DeriveKeyMaterial 方法来派生共享密钥材料，如下面的代码所示：
```
byte[] aesKey = m_ECDH_Cng.DeriveKeyMaterial(m_ECDH_remote_publicKey);
```
通过实例化一个 AesCryptoServiceProvider 对象来创建一个 Aes 对象：
```
Aes aes = new AesCryptoServiceProvider()
```
使用从前面的步骤中派生的密钥材料和初始化向量来初始化 Aes 对象。
使用 System.IO.MemoryStream 和 System.Security.Cryptography.CryptoStream 对象来解密消息。
显示解密后的消息。
在版本 3 至 5 中使用数字签名验证消息的密码文本。由于 Alice、Bob 和 Mallory 使用同一签名，因此版本 3 不显示安全警告。如果消息的密码文本具有无效签名，版本 4 将显示安全警告。不过，只为 Alice 和 Bob 提供了版本 4，因此 Mallory 永远不会看到任何警告。在版本 5 中，具有无效签名的加密密钥会导致程序终止，因此不会有机会传输并验证任何消息。