将 IV 添加到 CryptoStream 的开头

Question

我正在现有文件管理程序中实施本地加密。

我能找到的大部分示例代码，例如Microsoft's，演示了如何直接写入文件，但我需要做的是提供一个流，以便在程序的其他地方使用：

CryptoStream GetEncryptStream(string filename)
{
    var rjndl = new RijndaelManaged();
    rjndl.KeySize = 256;
    rjndl.BlockSize = 256;
    rjndl.Mode = CipherMode.CBC;
    rjndl.Padding = PaddingMode.PKCS7;

    // Open read stream of unencrypted source fileStream:
    var fileStream = new FileStream(filename, FileMode.Open); 

    /* Get key and iv */

    var transform = rjndl.CreateEncryptor(key, iv);

    // CryptoStream in *read* mode:
    var cryptoStream = new CryptoStream(fileStream, transform, CryptoStreamMode.Read); 

    /* What can I do here to insert the unencrypted IV at the start of the
       stream so that the first X bytes returned by cryptoStream.Read are
       the IV, before the bytes of the encrypted file are returned? */

    return cryptoStream; // Return CryptoStream to be consumed elsewhere
}

我的问题在最后一行的评论中有一个概述：我如何将 IV 添加到 CryptoStream 的开头，以便在读取 CryptoStream 时返回第一个 X 字节，前提是控制何时真正开始读取流并写入文件超出了我的代码范围吗？

Answer 1

好的...现在您的问题已经很清楚了，这“相当”容易...遗憾的是 .NET 不包含用于合并两个 Stream 的类，但我们可以轻松创建它。 MergedStream 是一个只读、只进的多流合并。

你使用喜欢：

var mergedStream = new MergedStream(new Stream[] 
{
    new MemoryStream(iv),
    cryptoStream,
});

现在...当有人尝试读取MergedStream 时，首先会消耗包含IV 的MemoryStream，然后会消耗cryptoStream。

public class MergedStream : Stream
{
    private Stream[] streams;
    private int position = 0;
    private int currentStream = 0;

    public MergedStream(Stream[] streams) => this.streams = streams;
    
    public override bool CanRead => true;

    public override bool CanSeek => false;

    public override bool CanWrite => false;

    public override long Length => streams.Sum(s => s.Length);

    public override long Position 
    { 
        get => position; 
        set => throw new NotSupportedException();
    }

    public override void Flush()
    {
    }

    public override int Read(byte[] buffer, int offset, int count)
    {
        if (streams == null)
        {
            throw new ObjectDisposedException(nameof(MergedStream));
        }

        if (currentStream >= streams.Length)
        {
            return 0;
        }

        int read;

        while (true)
        {
            read = streams[currentStream].Read(buffer, offset, count);
            position += read;

            if (read != 0)
            {
                break;
            }

            currentStream++;

            if (currentStream == streams.Length)
            {
                break;
            }
        }

        return read;
    }

    public override long Seek(long offset, SeekOrigin origin)
        => throw new NotSupportedException();

    public override void SetLength(long value)
        => throw new NotSupportedException();

    public override void Write(byte[] buffer, int offset, int count)
        => throw new NotSupportedException();

    protected override void Dispose(bool disposing)
    {
        try
        {
            if (disposing && streams != null)
            {
                for (int i = 0; i < streams.Length; i++)
                {
                    streams[i].Close();
                }
            }
        }
        finally
        {
            streams = null;
        }
    }
}

Answer 2

使用CryptoStream 在两个本地方之间进行通信并不是一个好的设计。您应该改用通用的InputStream 或管道（用于进程间通信）。然后，您可以将 IV 的 MemoryStream 和 CryptoStream 组合起来并返回组合。请参阅answer of xanatos 了解如何执行此操作（如果需要，您可能仍需要填写Seek 功能）。

CryptoStream 永远只能处理密文。由于您需要在接收器处更改代码无论如何，如果您想解密，您不妨重构为InputStream。

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如果您需要保留当前设计，则可以使用 hack。首先使用ECB模式“解密”IV而不使用填充。当单个分组密码调用总是成功时，结果将是一个数据块 - 当使用 CipherStream 加密时 - 再次变成 IV。

步骤：

1. 在数组中生成 16 个随机字节，这将是真正的 IV；
2. 解密使用不带填充的 ECB 和用于CipherStream 的密钥的 16 字节 IV；
3. 使用密钥和全零、16 字节 IV 初始化 CipherStream；
4. 使用CipherStream加密“解密”IV；
5. 输入明文的其余部分。

您需要创建一个InputStream，它首先接收解密的IV（如MemoryStream），然后是明文（如FileStream），这才可行。同样，also see the answer of xanatos 如何做到这一点。或者参见例如 this combiner 和 this HugeStream 在好的 ol' StackOverflow 上。然后使用组合流作为CipherInputStream 的源。

但不用说，应该尽早记录并删除此类黑客行为。

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注意事项：

• 这个技巧在任何模式下都不起作用；它适用于 CBC 模式，但其他模式可能会以不同的方式使用 IV；
• 请注意，OutputStream 通常对加密更有意义，但设计可能存在其他问题。

Answer 3

感谢那些花时间回答的人。最后我意识到我必须知道缓冲代码中的 IV 长度，没有办法绕过它，所以选择保持简单：

加密方式（伪代码）：

/* Get key and IV */

outFileStream.Write(IV); // Write IV to output stream

var transform = rijndaelManaged.CreateEncryptor(key, iv);

// CryptoStream in read mode:
var cryptoStream = new CryptoStream(inFileStream, transform, CryptoStreamMode.Read);

do
{
    cryptoStream.Read(chunk, 0, blockSize); // Get and encrypt chunk
    outFileStream.Write(chunk);             // Write chunk
}
while (chunk.Length > 0)

/* Cleanup */

解密方法（伪代码）：

/* Get key */

var iv = inFileStream.Read(ivLength); // Get IV from input stream

var transform = rijndaelManaged.CreateDecryptor(key, iv);

// CryptoStream in write mode:
var cryptoStream = new CryptoStream(outFileStream, transform, CryptoStreamMode.Write);

do
{
    inFileStream.Read(chunk, 0, blockSize); // Get chunk
    cryptoStream.Write(chunk);              // Decrypt and write chunk
}
while (chunk.Length > 0)

/* Cleanup */