面试题：C#中基于公钥基础设施（PKI）的复杂加密场景应用

Question

在一个分布式C#系统中，涉及多台服务器之间的数据交互，需要确保数据传输的完整性、保密性和不可抵赖性。基于公钥基础设施（PKI），描述整体的加密和解密流程设计，包括如何生成、管理和分发密钥，以及如何在代码层面实现对数据的签名、验证签名、加密和解密操作，要求给出关键代码片段和架构思路。

Answer 1

架构思路

1. 密钥生成：使用PKI体系，每台服务器生成自己的公私钥对。公钥用于加密数据和验证签名，私钥用于解密数据和生成签名。
2. 密钥管理：建立一个证书颁发机构（CA），服务器向CA注册并获取数字证书，证书包含服务器的公钥及相关身份信息，CA用自己的私钥对证书签名。
3. 密钥分发：服务器间通过交换数字证书来共享公钥。
4. 数据签名：发送方用自己的私钥对数据的哈希值进行签名，以确保不可抵赖性。
5. 签名验证：接收方用发送方的公钥验证签名，确保数据未被篡改且来源可靠。
6. 数据加密：发送方用接收方的公钥对数据进行加密。
7. 数据解密：接收方用自己的私钥对加密数据进行解密。

关键代码片段

1. 生成密钥对

using System.Security.Cryptography;

// 生成RSA密钥对
using (RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider(2048))
{
    string publicKey = rsa.ToXmlString(false);
    string privateKey = rsa.ToXmlString(true);
    // 存储或分发密钥
}

2. 数据签名

using System.Security.Cryptography;
using System.Text;

string data = "要签名的数据";
byte[] dataBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(data);

using (RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider(2048))
{
    // 假设已从存储中加载私钥
    rsa.FromXmlString(privateKey); 
    byte[] hashBytes = SHA256.Create().ComputeHash(dataBytes);
    byte[] signature = rsa.SignHash(hashBytes, CryptoConfig.MapNameToOID("SHA256"));
}

3. 签名验证

using System.Security.Cryptography;
using System.Text;

string receivedData = "接收到的数据";
byte[] receivedDataBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(receivedData);
byte[] receivedSignature = // 接收到的签名

using (RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider(2048))
{
    // 假设已从证书中加载发送方公钥
    rsa.FromXmlString(publicKey); 
    byte[] hashBytes = SHA256.Create().ComputeHash(receivedDataBytes);
    bool isValid = rsa.VerifyHash(hashBytes, CryptoConfig.MapNameToOID("SHA256"), receivedSignature);
}

4. 数据加密

using System.Security.Cryptography;
using System.Text;

string dataToEncrypt = "要加密的数据";
byte[] dataToEncryptBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(dataToEncrypt);

using (RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider(2048))
{
    // 假设已从证书中加载接收方公钥
    rsa.FromXmlString(publicKey); 
    byte[] encryptedData = rsa.Encrypt(dataToEncryptBytes, false);
}

5. 数据解密

using System.Security.Cryptography;
using System.Text;

byte[] encryptedData = // 接收到的加密数据

using (RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider(2048))
{
    // 假设已从存储中加载自己的私钥
    rsa.FromXmlString(privateKey); 
    byte[] decryptedData = rsa.Decrypt(encryptedData, false);
    string decryptedText = Encoding.UTF8.GetString(decryptedData);
}