Cryptography API: Next Generation(CNG)使用梳理——Hash及随机数算法应用_hash随机数法

作者：盐析白兔 | 2024-07-28 21:07:51

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hash随机数法

一、Hash算法

（一）散列算法，主要执行步骤：

1、获取算法提供程序

2、获取Hash对象的大小

3、为Hash对象分配空间

4、获取Hash值所需空间大小

5、分配Hash值所需空间

6、创建Hash对象

7、对数据执行哈希处理

8、获取Hash值

9、关闭Hash对象

10、关闭算法提供程序

11、清理（释放不需要的堆空间）

其中，2、3两不在Win7以后的系统中可以不执行，其Hash对象会由CNG自行管理，而4、5只需要在第8步前执行就可以

需要使用到的函数：


//打开支持所需算法的算法提供程序
NTSTATUS BCryptOpenAlgorithmProvider(
  [out] BCRYPT_ALG_HANDLE *phAlgorithm,
  [in]  LPCWSTR           pszAlgId,
  [in]  LPCWSTR           pszImplementation,
  [in]  ULONG             dwFlags
);
//获取Hash对象的大小
NTSTATUS BCryptGetProperty(
  [in]  BCRYPT_HANDLE hObject,
  [in]  LPCWSTR       pszProperty,
  [out] PUCHAR        pbOutput,
  [in]  ULONG         cbOutput,
  [out] ULONG         *pcbResult,
  [in]  ULONG         dwFlags
);
//创建Hash对象
NTSTATUS BCryptCreateHash(
  [in, out]      BCRYPT_ALG_HANDLE  hAlgorithm,
  [out]          BCRYPT_HASH_HANDLE *phHash,
  [out]          PUCHAR             pbHashObject,
  [in, optional] ULONG              cbHashObject,
  [in, optional] PUCHAR             pbSecret,
  [in]           ULONG              cbSecret,
  [in]           ULONG              dwFlags
);
//对数据进行哈希处理，可多次调用
NTSTATUS BCryptHashData(
  [in, out] BCRYPT_HASH_HANDLE hHash,
  [in]      PUCHAR             pbInput,
  [in]      ULONG              cbInput,
  [in]      ULONG              dwFlags
);
//获取数据哈希值
NTSTATUS BCryptFinishHash(
  [in, out] BCRYPT_HASH_HANDLE hHash,
  [out]     PUCHAR             pbOutput,
  [in]      ULONG              cbOutput,
  [in]      ULONG              dwFlags
);
//关闭Hash对象
NTSTATUS BCryptDestroyHash(
  [in, out] BCRYPT_HASH_HANDLE hHash
);
//关闭算法提供程序
NTSTATUS BCryptCloseAlgorithmProvider(
  [in, out] BCRYPT_ALG_HANDLE hAlgorithm,
  [in]      ULONG             dwFlags
);

实例：（代码根据官方演示案例修改而来，用于演示流程，因此去掉了返回校验过程）


#include <windows.h>
#include <bcrypt.h>
 
static const BYTE rgbMsg[] = 
{
    0x61, 0x62, 0x63
};
 
int main()
{
    BCRYPT_ALG_HANDLE       hAlg            = NULL;
    BCRYPT_HASH_HANDLE      hHash           = NULL;
    DWORD                   cbData          = 0,
                            cbHash          = 0,
                            cbHashObject    = 0;
    PBYTE                   pbHashObject    = NULL;
    PBYTE                   pbHash          = NULL;
 
 
    //打开支持所需算法的算法提供程序，获取算法句柄
    BCryptOpenAlgorithmProvider(&hAlg, BCRYPT_SHA256_ALGORITHM, NULL, 0);
 
    //获取Hash对象的大小，Win7后可以不自行管理Hash对象，此步骤可以不做
    BCryptGetProperty(hAlg, BCRYPT_OBJECT_LENGTH, (PBYTE)&cbHashObject, sizeof(DWORD), &cbData, 0);
 
    //为Hash对象分配空间，Win7后可以不自行管理Hash对象，此步骤可以不做
    pbHashObject = (PBYTE)HeapAlloc (GetProcessHeap (), 0, cbHashObject);
 
    //获取Hash值所需空间大小
    BCryptGetProperty(hAlg, BCRYPT_HASH_LENGTH, (PBYTE)&cbHash, sizeof(DWORD), &cbData, 0);
 
    //分配Hash值所需空间
    pbHash = (PBYTE)HeapAlloc (GetProcessHeap (), 0, cbHash);
 
    //创建Hash对象
    BCryptCreateHash(hAlg, &hHash, pbHashObject, cbHashObject, NULL, 0, 0);
    //Win7后可以不需要pbHashObject和cbHashObject，如下
    //BCryptCreateHash(hAlg, &hHash, NULL, 0, NULL, 0, 0);
 
    //对数据进行哈希处理
    BCryptHashData(hHash, (PBYTE)rgbMsg, sizeof(rgbMsg), 0);
    
    //获取哈希值
    BCryptFinishHash(hHash, pbHash, cbHash, 0);
 
    //关闭Hash对象
    BCryptDestroyHash(hHash);
 
    //关闭算法提供程序
    BCryptCloseAlgorithmProvider(hAlg,0);
 
    //清理
    HeapFree(GetProcessHeap(), 0, pbHashObject);
 
    HeapFree(GetProcessHeap(), 0, pbHash);
 
    return 0;
}

 BCryptOpenAlgorithmProvider(&hAlg, BCRYPT_SHA256_ALGORITHM, NULL, 0);

BCryptOpenAlgorithmProvider函数中对于Hash比较有用的就是dwFlags参数，主要有两个值BCRYPT_ALG_HANDLE_HMAC_FLAG和BCRYPT_HASH_REUSABLE_FLAG

其中BCRYPT_HASH_REUSABLE_FLAG也可以用于BCryptCreateHash函数，作用是在算法调用完BCryptFinishHash后，使用此标志的Hash对象可以再次重复使用，而不使用的则必须直接调用BCryptDestroyHash销毁对象。而此标志作用于BCryptOpenAlgorithmProvider和BCryptCreateHash函数的区别是，前者作用于全局，也就是基于BCryptOpenAlgorithmProvider所生成的hAlg而创建的Hash对象都会拥有BCRYPT_HASH_REUSABLE_FLAG，而BCryptCreateHash则只对当前对象有效。

BCRYPT_ALG_HANDLE_HMAC_FLAG则代表当前算法是基于哈希的消息身份验证代码，使用此标志的后，需要在BCryptCreateHash的pbSecret和cbSecret参数分别输入指向包含用于hash或MAC的认证密钥的缓冲区的指针，及其大小


//获取哈希值
BCryptFinishHash(hHash, pbHash, cbHash, 0);

注意：

此处有个容易忽略的关键点，BCryptFinishHash函数的cbOutput参数，也就是上方代码的cbHash，其值必须严格等于BCryptGetProperty获取BCRYPT_HASH_LENGTH的值，小了自然不行，大了也不行，依然会报参数错误STATUS_INVALID_PARAMETER，其介绍中也提到

This includes the case where cbOutput is not the same size as the hash.

当然，这个散列值的大小对于不同算法其值实际上是固定的

算法	哈希值长度 (位)	哈希值长度 (字节)
MD2	128	16
MD4	128	16
MD5	128	16
SHA-1	160	20
SHA-256	256	32
SHA-384	384	48
SHA-512	512	64

（二）HMAC（Hash-based Message Authentication Code）:

具体流程和普通Hash一样，区别在于获取算法句柄时添加BCRYPT_ALG_HANDLE_HMAC_FLAG标志，在BCryptCreateHash中输入pbSecret和cbSecret参数


#include <windows.h>
#include <bcrypt.h>
 
static const BYTE rgbMsg[] = 
{
    0x61, 0x62, 0x63
};
 
static const BYTE rgbSecret[] =
{
    0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 
    0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F
};
 
int main()
{
    BCRYPT_ALG_HANDLE       hAlg            = NULL;
    BCRYPT_HASH_HANDLE      hHash           = NULL;
    DWORD                   cbData          = 0,
                            cbHash          = 0;
    PBYTE                   pbHash          = NULL;
 
 
    //打开支持所需算法的算法提供程序，获取算法句柄
    BCryptOpenAlgorithmProvider(&hAlg, BCRYPT_SHA256_ALGORITHM, NULL, BCRYPT_ALG_HANDLE_HMAC_FLAG);
 
    //获取Hash值所需空间大小
    BCryptGetProperty(hAlg, BCRYPT_HASH_LENGTH, (PBYTE)&cbHash, sizeof(DWORD), &cbData, 0);
 
    //分配Hash值所需空间
    pbHash = (PBYTE)HeapAlloc (GetProcessHeap (), 0, cbHash);
 
    //创建Hash对象，Win7后可以不需要pbHashObject和cbHashObject
    BCryptCreateHash(hAlg, &hHash, NULL, 0, rgbSecret, sizeof(rgbSecret), 0);
 
    //对数据进行哈希处理
    BCryptHashData(hHash, (PBYTE)rgbMsg, sizeof(rgbMsg), 0);
    
    //获取哈希值
    BCryptFinishHash(hHash, pbHash, cbHash, 0);
 
    //关闭Hash对象
    BCryptDestroyHash(hHash);
 
    //关闭算法提供程序
    BCryptCloseAlgorithmProvider(hAlg,0);
 
    //清理
    HeapFree(GetProcessHeap(), 0, pbHashObject);
 
    HeapFree(GetProcessHeap(), 0, pbHash);
 
    return 0;
}

复制Hash对象：


//复制现有的Hash或消息身份验证（MAC）对象。复制对象包含复制时原始对象中包含的所有状态和数据。
NTSTATUS BCryptDuplicateHash(
  [in]  BCRYPT_HASH_HANDLE hHash,
  [out] BCRYPT_HASH_HANDLE *phNewHash,
  [out] PUCHAR             pbHashObject,
  [in]  ULONG              cbHashObject,
  [in]  ULONG              dwFlags
);

如果需要的哈希值是由多个部分组成的，且，其拥有公共部分时，就可以使用此函数，先将公共部分或者通用数据添加(BCryptHashData)到Hash对象中，而后对Hash对象进行的复制，复制的Hash对象包含与原始相同的状态信息和哈希数据，但它是完全独立的Hash对象。其后可以再使用复制对象添加需要计算哈希值的后续数据(BCryptHashData)直至获取最后的哈希值(BCryptFinishHash)

二、随机数

随机数就比较简单了，可以使用BCryptOpenAlgorithmProvider获取算法句柄，也可以使用BCRYPT_USE_SYSTEM_PREFERRED_RNG标志，使用系统选用的随机数算法


#include <windows.h>
#include <bcrypt.h>
 
int main()
{
    BCRYPT_ALG_HANDLE       hAlg            = NULL;
    BYTE buffer[128];
 
    //打开支持所需算法的算法提供程序，获取算法句柄
    BCryptOpenAlgorithmProvider(&hAlg, BCRYPT_RNG_ALGORITHM, NULL, 0);
 
    //创建随机数
    BCryptGenRandom(hAlg, buffer, sizeof(buffer), 0);
    
    //关闭算法提供程序
    BCryptCloseAlgorithmProvider(hAlg,0);
 
    return 0;
}

或者用BCRYPT_USE_SYSTEM_PREFERRED_RNG标志，此标志仅适用于与Windows Vista SP2及以后版本


#include <windows.h>
#include <bcrypt.h>
 
int main()
{
    BCRYPT_ALG_HANDLE       hAlg            = NULL;
    BYTE buffer[128];
 
    //创建随机数
    BCryptGenRandom(NULL, buffer, sizeof(buffer), BCRYPT_USE_SYSTEM_PREFERRED_RNG);
 
    return 0;
}

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