Windows и Delphi для защиты секретов 2

Описанная схема реализована и в CryptoAPI.

Целостность и аутентичность информации

Как удостовериться в том, что пришедшее сообщение действительно отправлено тем, чье имя стоит в графе "отправитель"? Асимметричные схемы шифрования дают нам элегантный способ аутентификации. Если отправитель зашифрует сообщение своим закрытым ключом, то успешное расшифровывание убедит получателя в том, что послать корреспонденцию мог только хозяин ключевой пары, и никто иной (рис. 3). При этом расшифровку может выполнить любой, кто имеет открытый ключ отправителя. Ведь наша цель - не конфиденциальность, а аутентификация.

Чтобы избежать шифрования всего сообщения при помощи асимметричных алгоритмов, используют хеширование: вычисляется хеш-значение исходного сообщения, и только эта короткая последовательность байтов шифруется закрытым ключом отправителя. Результат представляет собой электронную цифровую подпись. Добавление такой подписи к сообщению позволяет установить:

Таким образом, асимметричные алгоритмы позволяют решить две непростые задачи: обмена ключами шифрования по открытым каналам связи и подписи сообщения. Чтобы воспользоваться этими возможностями, нужно сгенерировать и сохранить две ключевые пары - для обмена ключами и для подписей. В этом нам поможет CryptoAPI.

Контейнеры ключей

Каждый криптопровайдер располагает базой данных, в которой хранятся долговременные ключи пользователей. База данных содержит один или более контейнеров ключей (рис. 4). Пользователь может создать несколько контейнеров с различными именами (именем контейнера по умолчанию является имя пользователя в системе).

Подключение к контейнеру производится одновременно с получением контекста криптопровайдера при вызове функции CryptAcquireContext - имя контейнера ключей передается функции вторым ее аргументом. Если второй аргумент содержит пустой указатель (nil), то используется имя по умолчанию, т. е. имя пользователя. В том случае, если доступ к контейнеру не нужен, можно передать в последнем аргументе функции флаг CRYPT_VERIFYCONTEXT; при необходимости создать новый контейнер используется флаг CRYPT_NEWKEYSET; а для удаления существующего контейнера вместе с хранящимися в нем ключами - CRYPT_DELETEKEYSET.

Каждый контейнер может содержать, как минимум, две ключевые пары - ключ обмена ключами и ключ подписи. Ключи, используемые для шифрования симметричными алгоритмами, не сохраняются. Как мы уже говорили, такие ключи не рекомендуется применять более одного раза, поэтому их называют сеансовыми (англ. session key).

Создание ключевых пар

После создания контейнера ключей необходимо сгенерировать ключевые пары обмена ключами и подписи. Эту работу в CryptoAPI выполняет функция CryptGenKey (провайдер, алгоритм, флаги, ключ):

Рассмотрим пример создания ключевых пар при помощи формы, показанной на рис. 5. В поле "Контейнер" можно указать имя контейнера ключей; если оставить это поле пустым, будет использован контейнер по умолчанию. Назначение остальных элементов управления должно быть интуитивно понятным. После генерации ключа в memo-поле выводится отчет о его параметрах. Для этого используется функция CryptGetKeyParam (ключ, параметр, буфер, размер, флаги). Чтобы получить информацию о требуемом параметре, нужно через второй аргумент функции передать соответствующую константу: KP_ALGID - идентификатор алгоритма, KP_KEYLEN - размер ключа, и т. д. Ниже приведен текст процедуры генерации ключей без операторов обработки ошибок:

procedure TGenerateForm.OKBtnClick(Sender: TObject);
var cont: PChar;
err: string;
hProv: HCRYPTPROV;
KeyExchKey, SignKey: HCRYPTKEY;
flag, keyLen: DWORD;
begin
{если ни один ключ не выбран - выход}
if not (KEKCheckBox.Checked or SKCheckBox.Checked) then exit;
{"считываем" имя контейнера}
if length(ContainerEdit.Text) = 0
then cont := nil
else
begin
err := ContainerEdit.Text;
cont := StrAlloc(length(err) + 1);
StrPCopy(cont, err);
end;
CryptAcquireContext(@hProv, cont, nil, PROV_RSA_FULL, 0);
{генерация ключа обмена ключами (Key Exchange Key)}
if KEKCheckBox.Checked then
begin
{"считываем" длину ключа и помещаем ее в
старшее слово параметра ФЛАГИ}
keyLen := strtoint(KeyExchLenEdit.text);
flag := keyLen shl 16;
if not CryptGenKey(hProv, AT_KEYEXCHANGE, flag, @KeyExchKey) then
begin
јобработка ошибокј
end
else
begin
ReportMemo.Lines.Add('');
ReportMemo.Lines.Add('Создан ключ обмена ключами:');
flag := 4;
if not CryptGetKeyParam(KeyExchKey, KP_KEYLEN, @keyLen, @flag, 0) then
begin
јобработка ошибокј
end
else ReportMemo.Lines.Add(' длина ключа - ' + inttostr(keyLen));
flag := 4;
if not CryptGetKeyParam(KeyExchKey, KP_ALGID, @keyLen, @flag, 0) then
begin
јобработка ошибокј
end
else ReportMemo.Lines.Add(' алгоритм - ' + algIDtostr(keyLen));
{функция algIDtostr здесь не приводится. Она состоит из единственного
оператора case, отображающего целый идентификатор алгоритма в строку}
end;
end;
{генерация ключа подписи (Signature Key)}
if SKCheckBox.Checked then
begin
јвыполняется аналогично генерации ключа обмена ключамиј
end;
CryptReleaseContext(hProv, 0);
end;

Обмен ключами

Теперь мы располагаем набором ключей, однако все они останутся мертвым грузом, до тех пор пока мы не получим возможности обмена с другими пользователями открытыми ключами. Для этого необходимо извлечь их из базы данных ключей и записать в файл, который можно будет передать своим корреспондентам. При экспорте данные ключа сохраняются в одном из трех возможных форматов:

Экспорт ключей в CryptoAPI выполняется функцией CryptExportKey (экспортируемый ключ, ключ адресата, формат, флаги, буфер, размер буфера):

Экспорт ключевой пары целиком, включая и закрытый ключ, может понадобиться для того, чтобы иметь возможность подписывать документы на различных компьютерах (например, дома и на работе), или для сохранения страховочной копии. В этом случае нужно создать ключ шифрования на основании пароля (см. "К+П", № 10/2002) и передать дескриптор этого ключа в качестве второго параметра функции CryptExportKey.

Запросить у криптопровайдера дескриптор самого' экспортируемого ключа позволяет функция CryptGetUserKey (провайдер, описание ключа, дескриптор ключа). Описание ключа - это либо AT_KEYEXCHANGE, либо AT_SIGNATURE.

Экспорт асимметричных ключей во всем возможном многообразии можно осуществить при помощи формы, показанной на рис. 6.

Ниже приведены наиболее важные фрагменты программы:

procedure TExportForm.OKBtnClick(Sender: TObject);
var cont: PChar;
err: string;
hProv: HCRYPTPROV;
key, expKey: HCRYPTKEY;
pbuf: PBYTE;
buflen: DWORD;
f: file;
hash: HCRYPTHASH;
begin
{если ни один ключ не выбран - выход}
if not (KEKCheckBox.Checked or SKCheckBox.Checked) then exit;
{если нужен пароль, т.е. экспортируется ключевая пара целиком}
if PasswEdit.Enabled and (PasswEdit.Text <> Passw2Edit.Text) then
begin
MessageDlg('Ошибка при вводе пароля! Повторите ввод.', mtError, [mbOK], 0);
exit;
end;
…
"считываем" имя контейнера и подключаемся к криптопровайдеру
…
если нужен ключ шифрования - создаем его на основании пароля
…
{ключ обмена ключами}
if KEKCheckBox.Checked then
repeat
{получаем дескриптор ключа}
CryptGetUserKey(hProv, AT_KEYEXCHANGE, @key);
{пытаемся определить размер буфера для экспорта ключа}
if (WhatRadioGroup.ItemIndex = 0) then
CryptExportKey(key, 0, PUBLICKEYBLOB, 0, nil, @bufLen)
else CryptExportKey(key, expKey, PRIVATEKEYBLOB, 0, nil, @bufLen);
GetMem(pbuf, bufLen);
{экспортируем данные}
if (WhatRadioGroup.ItemIndex = 0) then
CryptExportKey(key, 0, PUBLICKEYBLOB, 0, pbuf, @bufLen)
else CryptExportKey(key, expKey, PRIVATEKEYBLOB, 0, pbuf, @bufLen);
{освобождаем дескриптор ключа обмена ключами
(сам ключ при этом не уничтожается)}
CryptDestroyKey(key);
SaveDialog1.Title := 'Укажите файл для сохранения ключа обмена ключами';
if SaveDialog1.Execute then
begin
AssignFile(f, SaveDialog1.FileName);
rewrite(f, 1);
BlockWrite(f, pbuf^, bufLen);
CloseFile(f);
MessageDlg('Ключ обмена ключами успешно сохранен', mtInformation, [mbOK], 0);
end;
until true; {KeyExchange}
{ключ подписи}
if SKCheckBox.Checked then
repeat
јаналогично ключу обмена ключамиј
until true; {Signature}
…
если создавался ключ на основании пароля - уничтожаем его,
после чего освобождаем контекст криптопровайдера
…
end;

Экспортированные таким образом открытые части ключей понадобятся нам для проверки подписи и расшифровки сеансового ключа.

Импорт ключевых пар во вновь созданный контейнер - это самостоятельная процедура. Необходимо запросить у пользователя название контейнера и пароль, подключиться к провайдеру, создать на основании пароля ключ, считать из файла импортируемые данные в буфер, после чего воспользоваться функцией CryptImportKey (провайдер, буфер, длина буфера, ключ для расшифровки, флаги, импортируемый ключ). Если нужно обеспечить возможность экспорта импортируемой ключевой пары впоследствии, то в параметре флаги необходимо передать значение CRYPT_EXPORTABLE; в противном случае вызов для данной ключевой пары функции CryptExportKey приведет к ошибке.

Мы уже обсуждали, что при работе с асимметричными алгоритмами важно убедиться, что открытый ключ действительно принадлежит тому, кого вы считаете его хозяином, и не был подменен злоумышленником. Простейшим способом обеспечить аутентичность ключа является побайтная сверка с оригиналом, хранящимся у его хозяина. Для этого можно просто позволить пользователю просмотреть экспортированные данные в шестнадцатеричном виде - например, открыть файл, в который был записан открытый ключ, и вывести его содержимое в окно просмотра. Примерный результат показан на рис. 7.

Электронная цифровая подпись

Для создания электронной цифровой подписи необходимо вычислить хеш заданного файла и зашифровать этот "цифровой отпечаток сообщения" своим закрытым ключом - "подписать". Чтобы подпись впоследствии можно было проверить, необходимо указать, какой алгоритм хеширования использовался при ее создании. Поэтому подписанное сообщение должно иметь структуру.

Подписать вычисленный хеш в CryptoAPI позволяет функция CryptSignHash (хеш, описание ключа, комментарий, флаги, подпись, длина подписи). Вторым параметром может быть либо AT_KEYEXCHANGE, либо AT_SIGNATURE (в нашем случае логичнее использовать ключ подписи). Третий параметр в целях безопасности настоятельно рекомендуется оставлять пустым (nil). Флаги в настоящее время также не используются - на месте этого аргумента должен быть нуль. Готовую электронную подпись функция запишет в буфер, адрес которого содержится в предпоследнем параметре, последний же параметр будет содержать длину подписи в байтах.

procedure TSigningForm.SignBtnClick(Sender: TObject);
var cont: PChar;
err: string;
hProv: HCRYPTPROV;
key: HCRYPTKEY;
alg: ALG_ID;
hash: HCRYPTHASH;
infile, outfile: file;
size: DWORD;
buf: array [0..511] of byte;
signature: PBYTE;
begin
{проверка существования выбранного файла}
if not FileExists(DataNameEdit.Text) then
begin
MessageDlg('Неверное имя файла!', mtError, [mbOK], 0);
exit;
end;
AssignFile(infile, DataNameEdit.Text);
…
"считываем" имя контейнера и подключаемся к нему
…
case HashRadioGroup.ItemIndex of
0: alg := CALG_MD5;
1: alg := CALG_SHA;
end;
CryptCreateHash(hProv, alg, 0, 0, @hash);
SaveDialog1.Title := 'Задайте имя файла для хранения подписанных данных';
if SaveDialog1.Execute then
begin
AssignFile(outfile, SaveDialog1.FileName);
rewrite(outfile, 1);
{записываем в файл идентификатор алгоритма хеширования}
BlockWrite(outfile, alg, 4);
reset(infile, 1);
size := FileSize(infile);
{записываем размер подписываемых данных}
BlockWrite(outfile, size, 4);
{пишем сами данные и вычисляем хеш:}
while not eof(infile) do
begin
BlockRead(infile, buf, 512, size);
BlockWrite(outFile, buf, size);
CryptHashData(hash, @buf, size, 0);
end;
CloseFile(infile);
{выясняем размер подписи}
CryptSignHash(hash, AT_SIGNATURE, nil, 0, nil, @size);
{создаем подпись}
GetMem(signature, size);
CryptSignHash(hash, AT_SIGNATURE, nil, 0, signature, @size);
BlockWrite(outfile, size, 4);
BlockWrite(outfile, signature^, size);
CloseFile(outfile);
end;
…
уничтожаем хеш-объект и освобождаем контекст
…
end;

Чтобы проверить правильность подписи, получатель подписанного сообщения должен иметь файл с открытым ключом подписи отправителя. В процессе проверки подписи этот ключ импортируется внутрь криптопровайдера. Проверка выполняется функцией CryptVerifySignature (хеш, подпись, длина подписи, открытый ключ, комментарий, флаги). О последних двух аргументах можно сказать то же, что и о параметрах комментарий и флаги функции CryptSignHash, назначение же остальных должно быть понятно. Если подпись верна, функция возвращает true. Значение false в качестве результата может свидетельствовать либо о возникновении ошибки в процессе проверки, либо о том, что подпись оказалась неверной. В последнем случае функция GetLastError вернет ошибку NTE_BAD_SIGNATURE. Для примера приведем наиболее значимые фрагменты программы проверки подписи:

procedure TMainForm.VerifyItemClick(Sender: TObject);
var err: string;
hProv: HCRYPTPROV;
key: HCRYPTKEY;
alg: ALG_ID;
hash: HCRYPTHASH;
infile: file;
size, test, textsize: DWORD;
buf: PBYTE;
signature, signkey: PBYTE;
begin
…
получаем контекст криптопровайдера
…
OpenDialog1.Title := 'Укажите файл с подписанными данными';
if OpenDialog1.Execute then
begin
AssignFile(infile, OpenDialog1.FileName);
reset(infile, 1);
{считываем идентификатор алгоритма хеширования}
BlockRead(infile, alg, 4);
{считываем размер подписанных данных и сами данные}
BlockRead(infile, textsize, 4);
GetMem(buf, textsize);
BlockRead(infile, buf^, textsize, test);
if test < textsize then
begin
MessageDlg('Неверный формат файла! Процесс прерван.', mtError, [mbOK], 0);
exit;
end;
{считываем размер подписи и саму подпись}
BlockRead(infile, test, 4);
GetMem(signature, test);
BlockRead(infile, signature^, test);
CloseFile(infile);
end
else exit;
…
создаем хеш-объект и хешируем данные
…
OpenDialog1.Title := 'Укажите файл с открытым ключом подписи';
if OpenDialog1.Execute then
begin
AssignFile(infile, OpenDialog1.FileName);
reset(infile, 1);
size := FileSize(infile);
GetMem(signkey, size);
BlockRead(infile, signkey^, size);
CloseFile(infile);
end
else exit;
{импортируем открытый ключ подписи отправителя}
CryptImportKey(hProv, signkey, size, 0, 0, @key);
FreeMem(signkey, size);
{проверяем подпись}
if CryptVerifySignature(hash, signature, test, key, nil, 0) then
begin
MessageDlg('Подпись верна.', mtInformation, [mbOK], 0);
{сохраняем подписанные данные}
SaveDialog1.Title := 'Укажите имя файла для сохранения данных';
if SaveDialog1.Execute then
begin
AssignFile(infile, SaveDialog1.FileName);
rewrite(infile, 1);
BlockWrite(infile, buf^, textsize);
CloseFile(infile);
end;
end
else
begin
case int64(GetLastError) of
NTE_BAD_SIGNATURE: err := 'Подпись неверна!';
{обработка других ошибок}
else err := 'Ошибка при проверке подписи: Unknown error';
end;
MessageDlg(err, mtError, [mbOK], 0);
end;
…
уничтожаем хеш-объект и импортированный ключ
и освобождаем контекст криптопровайдера
…
end;