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非对称加密与OpenSSL

2016-10-29
Pan

随着个人隐私越来越受重视, HTTPS也渐渐的流行起来, 甚至有许多网站都做到了全站HTTPS, 然而这种加密和信任机制也不断遭遇挑战,比如戴尔根证书携带私钥,Xboxlive证书私钥泻露, 还有前一段时间的沃通错误颁发Github根域名SSL证书事件. 因此本文从非对称加密说起, 介绍了证书的签证流程, 并且通过openssl的命令行工具对这些过程都转化为相对具体的命令, 也算是一个温故知新的简要记录吧.

前言

一般来说,常见的数字加密方式都可以分为两类,即对称加密和非对称加密. 对于对称加密来说, 加密和解密用的是同一个密钥, 加密方法有AES,DES,RC4,BlowFish等; 对应的, 非对称加密在 加密和解密时, 用的是不同的密钥, 分别称为公钥或私钥. 非对称加密的加密方法有RSA, DSA, Diffie-Hellman等.

OpenSSL是一个开源项目,为传输层安全(TLS)和安全套接字(SSL)协议提供了比较完整的实现, 同时也致力于将自身打造为一个通用的密码学工具集. 其中包括:

  • libssl : 提供了SSL(包括SSLv3)和TLS的服务器端以及客户端的实现.
  • libcrypto : 通用的密码学库以及对X.509的支持
  • openssl : 一个多功能的命令行工具

本文主要使用openssl的命令行工具来示例非对称加密的流程, 如果有兴趣的话,也可以用其SDK 来实现更具体的操作.

加解密过程

创建公私钥对

首先用openssl生成私钥:

openssl genrsa -out private.pem 1024 

当然为了更加安全,可以在生成私钥的时候同时指定密码, 这样即使不小心泻露了私钥,也能增加别人的盗用难度:
openssl genrsa -aes256 -passout stdin -out private.pem 1024
openssl genrsa -aes256 -passout file:passwd.txt  -out private.pem 1024
openssl genrsa -aes256 -passout pass:my_password -out private.pem 1024

其中 -passout 指定密码的输入方式,可以分别是stdin,从文件中读取或者紧接着pass:后面输入. 有了私钥,便可以从其中提取出公钥:

openssl rsa -in private.pem -pubout -out public.pem

用公私钥进行加解密

在一次秘密的信息传输中, 我们首先通过可信的方式(比如面对面)将公钥告知对方, 对方发送机密信息的时候 就可以用我们的公钥加密:

openssl rsautl -encrypt -pubin -inkey public.pem -in file.txt -out file.txt.enc

在发送的过程中即便泄露了文件,也无法查看文件的明文信息. 而我们收到密文后, 用私钥解密即可:

openssl rsautl -decrypt -inkey private.pem -in file.txt.enc -out file.txt.dec

和对称加密协作

虽然公私钥加密很好用, 但事实上非对称加密的缺点是加解密速度要远远慢于对称加密, 在某些极端情况下, 甚至能比非对称加密慢上千倍. 另外由于RSA算法的工作机理, 如果密钥是n比特的,那么其加密的信息容量就 不能大于(n-11)比特. 因此对于大文件的加密传输, 通常还是使用对称加密的方式, 例如

openssl rand -base64 128 -out aeskey.txt
openssl enc -aes-256-cbc -salt -in file.txt -out file.txt.aesenc -pass file:aeskey.txt
openssl enc -d -aes-256-cbc -in file.txt.aesenc -out file.txt.aesdec -pass file:aeskey.txt

其中aeskey.txt是我们随机生成密码文件, 并且用其可以对大文件进行对称的加解密, 在实际中, 通常还会将密码文件用公私钥加密的方式来发送给对方. 值得一提的是,这也正是PGP的工作方式, 如下图所示:

pgp

证书

对任一个体来说, 它都有公钥,私钥和证书. 其中私钥用来加密发出去的信息,公钥用来解密收到的信息, 而证书则用来证明自己的身份. 一般来说,证书中包含自己的公钥以及额外的信息,如签发机构(CA, Certificate Authority), 证书用途(比如适用的域名)和有效时间等. CA通常是个第三方的可信机构, 比如VeriSign, GeoTrust, DigiCert和沃通等, 当然也可以是未知的主体, 比如说自己.

获得一张证书的流程通常是: 1)用私钥生成证书签名请求(csr), 2)将csr文件发送给CA,待其验证信息无误后, CA会用自己的私钥对其进行签名表示确认.

生成证书签名请求

证书签名请求(Certificate Signing Request)通常以.csr为后缀, 包含了请求方的公钥和主体的详细信息, 如域名,公司名,国家,城市等信息, 其完整内容可以参考这里. 使用openssl也能很方便地生成csr:

openssl req -new -key private.pem -out pppan.csr

默认会在stdin中根据提示交互地输入主体信息,也可以通过 -config 选项来从文件中读取. 生成完之后可以通过:

openssl req -in pppan.csr -noout -text

来查看csr文件中的详细信息.

CA对csr文件进行签名

当CA收到csr文件并且对请求方的域名,公司等内容校验无误后,便可以对csr请求进行确认(签名),

openssl req -x509 -newkey rsa:4096 -nodes -keyout cakey.pem -out cacert.pem -outform PEM
openssl ca -config openssl-ca.cnf -policy SP -extensions SR -infiles pppan.csr -out pppan.crt

虽然这不是重点, 但也稍微解释下这两个命令的意思吧. 第一个命令是CA一开始创建私钥和CA的证书, 第二个命令表示对csr文件进行签名确认, 用-config指定自定义的配置文件, 如果不指定则默认为/usr/lib/ssl/openssl.cnf, SP和SR都是自定义于配置文件中的信息, 此外配置文件中还包括CA证书路径和私钥路径,以及对req的默认校验策略等, 有兴趣的可以查看详细解释.

另外值得一提的是, 我们用自己的私钥也可以生成证书, 并且也能用这个证书来对自己的csr进行签名, 这通常称为自签名(self-signed), 上面CA生成的证书cacert.pem就是自签名的. 一般来说, 如果是自己随便生成自签名证书, 都是会被认为是不可信的, 除非对方也将其添加到信任CA证书列表中.

查看和验证证书

CA对csr进行签名后, 我们就能得到对应的证书, 这里是pppan.crt, 可以用openssl查看证书的详细信息:

openssl x509 -noout -text -in pppan.crt

可以看到具体的签发机构,签发时间和证书的有效时间等信息. 可以用命令验证证书是否有效:

openssl verify -CAfile Trusts.pem pppan.crt

其中Trusts.pem是一系列所信任的证书集合,其中也包括了上述CA的证书cacert.pem

其他

上面所有用到的证书及其组件,如公钥,私钥,csr等,其格式都是PEM的,这也是最常见的一种格式, 可以用文本便及其打开,通常是以-----BEGIN XXX------开头, 以-----END XXX-----结束, 中间的部分则是实际密钥的base64编码, 其二进制表示也称为DER格式, 两者可以用base64转化, 因此都属于x509实现的证书格式.

还有比较常见的证书格式,为PKCS7PKCS12. 其中PKCS7是由JAVA使用的开放标准,并且也被 Windows所支持, 其内是不包含私钥信息的; 而PKCS12则是一种非公开的标准,用来提供比PEM的 纯文本格式更高的安全性, 这是Windows建议使用的格式, 其中可以包含私钥信息.

不同格式的转换如下所示.

PEM <-> DER:

openssl x509 -in bar.pem -outform der -out bar.der
openssl x509 -inform der -in foo.der -out foo.pem

PEM <-> PKCS7:

openssl crl2pkcs7 -nocrl -certfile foocert.pem -out foocert.p7b 
openssl pkcs7 -in foocert.p7b  -print_certs -out barcert.pem  

PEM <-> PKCS12:

openssl pkcs12 -inkey private.key -in foocert.pem -export -out foocert.pfx
openssl pkcs12 -in foocert.pfx -nodes -out barcert.pem 

后记

当今我们使用最多的https本质上就是在http协议的基础上对传输内容进行了非对称的加密, 当然实现过程多了很多复杂的交互, 感兴趣的可以去查看SSL和TLS协议. 我想说的是, 这一切信任机制的基石是对于CA的信任, 如果说CA的私钥泻露,或者我们错误地信任了一个坏CA, 那么https的隐私性也就不复存在了, 因为其可能对无效的csr进行签名, 从而使得https中间人攻击 成为现实. 据说早在两年前伟大的防火墙就已经可以对https进行监听,敏感词识别和连接重置, 后来因为某种原因才从大范围应用转为只对特殊对象使用,不过那是后话了.



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