.NET RSA 公私鑰加密與簽章完整範例

這篇主要寫給自己未來參考，整理一份 RSA 公私鑰加解密及數位簽章的 .NET 程式範例，滿足以下應用場景：

1. 同時考量 .NET Framework 與 .NET Core/.NET 6+、Windows、Linux 等不同 .NET 版本及作業系統平台
2. 老 .NET Framework 專案續用 System.Security.Cryptography.RSACryptoServiceProvider (依賴 Windows CAPI)，相關資源多
3. 新 .NET 專案改用 BouncyCastle 開源程式庫，跨平台及支援完整度較好
   參考：使用 Bouncy Castle DES/AES 加解密
4. 公私鑰需可匯出 PEM 格式方便交換、保存
5. 支援 RSACryptoServiceProvider 與 BouncyCastle 互通，共用公私鑰 PEM，解密另一方加密內容及驗證對方產生的數位簽章

我定義了簡單介面，分別用 RSACryptoServiceProvider 及 BouncyCastle 實作，提供兩種建構式，new 物件時隨機產生公私鑰或傳入 PEM 字串使用既有公私鑰，類別有屬性可讀取公私鑰(使用 PEM 格式字串)，並提供加密、解密、產生簽章及驗證簽章等方法：

public interface IRsaCrypto
{
    string PubKey { get; }
    string PrivKey { get; }
    byte[] Encrypt(byte[] plainData);
    byte[] Decrypt(byte[] cipherData);
    byte[] Sign(byte[] data);
    bool Verify(byte[] data, byte[] signature);
}

開發過程復習跟學到一些東西：

1. 上回踩過的問題，NuGet 上相似的 BouncyCastle 套件很多，請認明 Portable.BouncyCastle，勿裝錯
2. 為確保 BouncyCastle 跟 RSACryptoServiceProvider 互通，兩邊的加密演算法需一致。我在 RSACryptoServiceProvider.Encrypt() 時 fOAEP 參數設 false，使用 PKCS#1 1.5 Padding、SignData() 時則指定 SHA256；BouncyCastle 執行加解密跟簽章時要指定演算法則分別選用 SHA-256withRSA 及 RSA/ECB/PKCS1Padding。
3. RSA 加密時不管使用 OAEP 或 PKCS#1 Padding，都會填充隨機內容，故同一字串每次加密的結果都不同。參考
4. RSACryptoServiceProvider 要匯入 PEM 格式金鑰，BouncyCastle 有提供 DotNetUtilities 工具，但匯出很麻煩得自己拼裝字串，過程瑣碎繁雜，幸好已有前輩佛心寫好現成函式範例可直接引用。

以下是測試程式，分別用 RSACryptoServiceProvider、BouncyCastle 執行同一字串加解密兩次(可觀察到兩次加密結果不同)、簽章及驗證兩次(兩次簽章結果一致)；最後測試用 RSACryptoServiceProvider 加密及簽章，用 BoncyCastle 解密及驗證，做法是由 NetFxRsaCrypto 匯出公私鑰 PEM，以 new BCRsaCrypto(fxRsaCrypto.PubKey, fxRsaCrypto.PrivKey) 建構使用相同公私鑰的 BouncyCastle 加解密物件：

using System.Text;
using DotNetRsaExample;

Action<IRsaCrypto> RunTest = (crypto) =>
{
    Print(crypto.GetType().Name, ConsoleColor.Yellow);
    Print("加解密測試", ConsoleColor.Cyan);
    var plainText = "Hello, World!";
    var plainData = Encoding.UTF8.GetBytes(plainText);
    Console.WriteLine($"明文: {plainText}");
    byte[] cipherData = null!;
    for (var i = 0; i < 2; i++)
    {
        // PKCS#1 / OAEP 加密時會填充一些亂數，故每次加密結果不會相同
        // https://en.wikipedia.org/wiki/RSA_(cryptosystem)#Padding_schemes
        cipherData = crypto.Encrypt(plainData);
        Console.WriteLine($"密文[{i}]: {Convert.ToBase64String(cipherData)}");
        var decryptedData = crypto.Decrypt(cipherData);
        Console.WriteLine($"解密[{i}]：{Encoding.UTF8.GetString(decryptedData)}");
    }
    Print("簽章測試", ConsoleColor.Cyan);
    for (var i = 0; i < 2; i++)
    {
        Console.WriteLine($"資料[{i}]：{plainText}");
        var signature = crypto.Sign(plainData);
        Console.WriteLine($"簽章[{i}]: {Convert.ToBase64String(signature)}");
        var verified = crypto.Verify(plainData, signature);
        Console.WriteLine($"驗證[{i}]: {(verified ? "PASS" : "FAIL")}");
    }
};

var fxRsaCrypto = new NetFxRsaCrypto();
RunTest(fxRsaCrypto);
var bcRsaCrypto = new BCRsaCrypto();
RunTest(bcRsaCrypto);

// 使用既有 PubKey 或 PrivKey 建立 BCRsaCrypto 的三種做法
// 1. BCRsaCrypto.FromPubKey(pubKey)
// 2. BCRsaCrypto.FromPrivKey(privKey)
// 3. new BCRsaCrypto(pubKey, privKey)

Print("交叉加解密", ConsoleColor.Magenta);
string plainText = "由System.Security加密，BouncyCastle解密";
Print($"明文: {plainText}");
var enc = fxRsaCrypto.Encrypt(Encoding.UTF8.GetBytes(plainText));
Print($"密文: {Convert.ToBase64String(enc)}");
Print($"解密: {Encoding.UTF8.GetString(BCRsaCrypto.FromPrivKey(fxRsaCrypto.PrivKey).Decrypt(enc))}");
Print("交叉簽章", ConsoleColor.Magenta);
var sign = fxRsaCrypto.Sign(Encoding.UTF8.GetBytes(plainText));
Print($"簽章: {Convert.ToBase64String(sign)}");
Print($"驗證: {(BCRsaCrypto.FromPubKey(fxRsaCrypto.PubKey).Verify(Encoding.UTF8.GetBytes(plainText), sign) ? "PASS" : "FAIL")}");

void Print(string msg, ConsoleColor color = ConsoleColor.White)
{
    Console.ForegroundColor = color;
    Console.WriteLine(msg);
    Console.ResetColor();
}

測試成功!

範例專案已上傳 Github，有需要的同學可自取參考，大家如發現問題歡迎回饋給我。

This article demonstrates the use of RSACryptoServiceProvider and BouncyCastle API for encryption and decryption and signing, and implements shared keys and mutual verification.