加密和安全通信

安全通信

安全机制

对称加密算法

非对称加密算法

散列算法

base64编码机制

安全协议

OpenSSL

相关实验

安全机制

信息安全防护的目标

• 保密性 Confidentiality
• 完整性 Integrity
• 可用性 Usability
• 可控制性 Controlability
• 不可否认性 Non-repudiation

安全防护环节

• 物理安全：各种设备/主机、机房环境
• 系统安全：主机或设备的操作系统
• 应用安全：各种网络服务、应用程序
• 网络安全：对网络访问的控制、防火墙规则
• 数据安全：信息的备份与恢复、加密解密
• 管理安全：各种保障性的规范、流程、方法

安全攻击： STRIDE

• Spoofing 假冒
• Tampering 篡改
• Repudiation 否认
• Information Disclosure 信息泄漏
• Denial of Service 拒绝服务
• Elevation of Privilege 提升权限

安全设计基本原则

• 使用成熟的安全系统
• 以小人之心度输入数据
• 外部系统是不安全的
• 最小授权
• 减少外部接口
• 缺省使用安全模式
• 安全不是似是而非
• 从STRIDE思考
• 在入口处检查
• 从管理上保护好你的系统

常用安全技术

• 认证
• 授权
• 审计
• 安全通信

加密算法和协议

• 对称加密
• 公钥加密
• 单向加密
• 认证协议

对称加密算法

对称加密：加密和解密使用同一个密钥

• DES：Data Encryption Standard，56bits
• 3DES：
• AES：Advanced (128, 192, 256bits)
• Blowfish，Twofish
• IDEA，RC6，CAST5

对称加密的特性：

• 1、加密、解密使用同一个密钥，效率高
• 2、将原始数据分割成固定大小的块，逐个进行加密

对称加密的缺陷：

• 1、密钥过多
• 2、密钥分发
• 3、数据来源无法确认

非对称加密算法

公钥加密：密钥是成对出现

• 公钥：公开给所有人；public key
• 私钥：自己留存，必须保证其私密性；secret key

非对称加密算法特点：用公钥加密数据，只能使用与之配对的私钥解密；反之亦然

非对称加密算法功能：

• 数字签名：主要在于让接收方确认发送方身份
• 对称密钥交换：发送方用对方的公钥加密一个对称密钥后发送给对方
• 数据加密：适合加密较小数据

非对称加密算法缺点：密钥长，加密解密效率低下

非对称加密算法算法：

• RSA（加密，数字签名）
• DSA（数字签名）
• ELGamal

基于一对公钥/密钥对

• 用密钥对中的一个加密，另一个解密

实现加密：

• 接收者
     生成公钥/密钥对：P和S
     公开公钥P，保密密钥S
• 发送者
     使用接收者的公钥来加密消息M
     将P(M)发送给接收者
• 接收者
     使用密钥S来解密：M=S(P(M))

实现数字签名：

• 发送者
     生成公钥/密钥对：P和S
     公开公钥P，保密密钥S
     使用密钥S来加密消息M
     发送给接收者S(M)
• 接收者
    使用发送者的公钥来解密M=P(S(M))

结合签名和加密

分离签名

单向散列(单向哈希)

将任意数据缩小成固定大小的“指纹”

• 任意长度输入
• 固定长度输出
• 若修改数据，指纹也会改变（“不会产生冲突”）
• 无法从指纹中重新生成数据（“单向”）

功能：数据完整性

常见算法

• md5: 128bits、
• sha1: 160bits、
• sha224、
• sha256、
• sha384、
• sha512、

常用工具

• md5sum | sha1sum [ --check ] file
• openssl、gpg
• rpm -V

利用三种加密算法实现安全通信

对称加密：效率高、但无法确认数据来源

非对称加密：可以确定数据来源但效率低

数字签名

Alice == Bob
其中Alice的公钥PubA，私钥PriA
其中Bob的公钥PubB，私钥PriB

(data) --> PubB{PriA[hash(data)]+data} == data’ ==>to Bob
–> PriB(data’)–>PubA{PriA[hash(data)]+data}
–> hash(data) == hash(data)? :确认数据是否被篡改
–> 安全通信
但是：使用Bob公钥加密数据若太大，则解密时间消耗比较长

综合hash、对称、非对称三种通信：
(data) —> hash(data)
–> PriA[hash(data)] + key(data) + PubB(key) ==data’ ==>to Bob
–> PriB(PubB(key))==key 提取非对称加密数据的钥匙
–> PubA([hash(data)])==hash(data)提取data的digest 并验证data来源
–> key(key(data))==data 提取data
–> hash(data)=? hash(data) 确认data传输过程未被修改

秘钥交换

密钥交换：IKE（ Internet Key Exchange ）

方法一：公钥加密

方法二：DH (Deffie-Hellman)：生成会话密钥
参看：https://en.wikipedia.org/wiki/Diffie%E2%80%93Hellman_key_exchange

gpg工具

使用gpg实现对称加密

• gpg -c file 加密文件
• gpg -o file -d file.gpg 解密文件 -o选项需在-d选项之前

使用gpg工具实现公钥加密

• gpg --gen-key
• gpg --list-keys
• gpg -a --export -o XXX.pubkey
• scp wang.pubkey hostB:
• gpg -e -r XXX file file file.gpg

CA和证书

PKI：Public Key Infrastructure

• 签证机构：CA（Certificate Authority）
• 注册机构：RA
• 证书吊销列表：CRL
• 证书存取库：

X.509：定义了证书的结构以及认证协议标准

• 版本号
• 序列号
• 签名算法
• 颁发者
• 有效期限
• 主体名称
• 主体公钥
• CRL分发点
• 扩展信息
• 发行者签名

证书类型：

• 证书授权机构的证书
• 服务器
• 用户证书

获取证书两种方法：

• 使用证书授权机构
  生成证书请求（csr）
  将证书请求csr发送给CA
  CA签名颁发证书

• 自签名的证书
  自已签发自己的公钥

安全协议

SSL：Secure Socket Layer，TLS: Transport Layer Security

• 1995：SSL 2.0 Netscape
• 1996：SSL 3.0
• 1999：TLS 1.0
• 2006：TLS 1.1 IETF(Internet工程任务组) RFC 4346
• 2008：TLS 1.2 当前使用
• 2015：TLS 1.3

功能：机密性，认证，完整性，重放保护

两阶段协议，分为握手阶段和应用阶段

• 握手阶段(协商阶段):客户端和服务器端认证对方身份（依赖于PKI体系，利用数字证书进行身份认证），并协商通信中使用的安全参数、密码套件以及主密钥。后续通信使用的所有密钥都是通过MasterSecret生成
• 应用阶段:在握手阶段完成后进入，在应用阶段通信双方使用握手阶段协商好的密钥进行安全通信

HTTPS结构

TLS（or SSL） 工作在应用层和传输层之间，对应用层数据进行加密。

OpenSSL

OpenSSL：开源项目

• 三个组件：
  openssl：多用途的命令行工具，包openssl
  libcrypto：加密算法库，包openssl-libs
  libssl：加密模块应用库，实现了ssl及tls，包nss

openssl命令：

• 两种运行模式：交互模式和批处理模式
• openssl version：程序版本号
• 标准命令、消息摘要命令、加密命令
• 标准命令：enc, ca, req, …

openssl命令用法

对称加密：

• 工具：openssl enc, gpg
• 算法：3des, aes, blowfish, twofish
• enc命令：
  帮助：man enc

单向加密：

• 工具：md5sum, sha1sum, sha224sum,sha256sum…
  openssl dgst

• dgst命令：
  帮助：man dgst

• MAC: Message Authentication Code，单向加密的一种延伸应用，用于实现
  网络通信中保证所传输数据的完整性机制

生成用户密码：

• passwd命令:
  帮助：man sslpasswd

生成随机数：

• 帮助：man sslrand
• openssl rand -base64|-hex NUM
• NUM: 表示字节数，使用-hex，每个字符为十六进制，相当于4位二进制，
  出现的字符数为NUM*2

公钥加密：

• 算法：RSA, ELGamal
• 工具：gpg, openssl rsautl（man rsautl）

数字签名：

• 算法：RSA, DSA, ELGamal

密钥交换：

• 算法：dh
• DSA：Digital Signature Algorithm
• DSS：Digital Signature Standard
• RSA：

生成密钥对儿：man genrsa

• 生成私钥

openssl genrsa -out /PATH/TO/PRIVATEKEY.FILE NUM_BITS

    (umask 077; openssl genrsa –out test.key –des 2048)

openssl rsa -in test.key –out test2.key 将加密key解密

• 从私钥中提取出公钥

openssl rsa -in PRIVATEKEYFILE –pubout –out PUBLICKEYFILE

openssl rsa –in test.key –pubout –out test.key.pub

随机数生成器：伪随机数字

• 键盘和鼠标，块设备中断
• /dev/random：仅从熵池返回随机数；随机数用尽，阻塞
• /dev/urandom：从熵池返回随机数；随机数用尽，会利用软件生成伪随机
  数,非阻塞

相关实验

base64编码机制

base64编码：[ 字母 | 数组 | + | / ]

因为ASCII码128中具有不可见字符，使用文本工具打开将乱码，base64编码字符 可见，因此base64可以将二进制文件用可见字符表示。

一个字节： 8bit
ASCII     8bit  
base64    6bit
base64编码编码与ascii编码转换：<>
    以ab、abc为例
    ~]# echo -n ab|base64
    YWI=

    a ascii 97  
    b=98
    c=99
ascii    01100001 01100010
base64   011000 | 01 0110 | 001000 <不够6位末尾添0补足>
         Y      | W       | I     =表示有用0补位
        
    ~]# echo -n abc|base64
    YWJj
ascii    01100001 01100010 01100011
base64   011000 | 01 0110 | 001001 | 100011 
         Y      | w       | J      | j

因此输出要为完整的base64编码时，24的倍数字节即为3的倍数

使用openssl生成随机数作口令：
    ~]# openssl rand -base64 9<此处9表示9字节 72 bite >
    6ptxyuxOKs6L <因此对应base64位12字符>

    生成8位随机数做密码
    ~]# openssl rand -base64 6
    6qTJ19ag

使用随机数8个字符串口令:
    ~]# cat /dev/urandom | tr -dc '[[:alnum:]]' |head -c 8
    ~]# openssl rand -base64 6

创建私有CA

创建私有CA必须满足以下条件：

• 关闭selinux
• 关闭iptables
• 时间同步<涉及加密时间至关重要>

创建私有CA：

• OpenSSL的配置文件：/etc/pki/tls/openssl.cof
• 三种策略：match匹配、option可选、supplied提供
     match：要求申请填写的信息与CA设置信息必须一致
     optional：可有可无，跟CA设置信息可不一致
     supplied：必须填写这项申请信息

openssl配置文件/etc/pki/tls/openssl.cof详解：
#######################
[ ca ]  一台主机可以搭建多个CA，此处设置的是默认CA
default_ca  = CA_default  
#######################

[ CA_default ]  定义默认CA的相关信息

dir     = /etc/pki/CA  <默认CA相关数据的存放路径>     
certs       = $dir/certs       
crl_dir     = $dir/crl     
database    = $dir/index.txt  <颁发的证书的索引数据库>
    默认index.txt在/etc/pki/CA目录下不存在，需要手动创建
new_certs_dir   = $dir/newcerts  <新证书存放路径>
certificate = $dir/cacert.pem <根CA证书自签证明>
serial      = $dir/serial <当前序列号><颁发的证书有序列号>
    <当前编号表示下一个颁发的证书的编号><刚开始需要手动创建并指明初始编号>
crlnumber   = $dir/crlnumber  <证书吊销列表的编号>
crl     = $dir/crl.pem <证书吊销列表存放路径>
private_key = $dir/private/cakey.pem  <私钥存放路径>
...
#######################
##没有特别指定时的默认设置项
default_days    = 365 <颁发证书的默认有效期>           
default_crl_days= 30  <吊销列表有效期>    
default_md  = sha256        
preserve    = no  

#######################
# 需要遵守的策略  match，optional，supplied
policy      = policy_match
# For the CA policy
[ policy_match ] <搭建CA需要提供的相关信息>
countryName     = match
stateOrProvinceName = match
organizationName    = match
organizationalUnitName  = optional
commonName      = supplied
emailAddress        = optional
....

[ policy_anything ] <另一个策略>

证书申请及签署步骤

• 1、生成申请请求
• 2、RA核验
• 3、CA签署
• 4、获取证书

创建私有CA：

• 1、创建所需要的文件
• 2、CA自签证书
• 3、颁发证书
• 4、吊销证书

生成自签证书的相关选项：

• -new：生成新证书签署请求
• -x509：专用于CA生成自签证书
• -key：生成请求时用到的私钥文件
• -days n：证书的有戏期限
• -out /PATH/TO/SOMECERTFILE:证书的保存路径

私有CA使用场景：企业内部使用与安全通信相关时，需要搭建私有CA；eg：https
===============================================
创建私有CA<创建CA主机>：

    ~]# cd /etc/pki/CA/  <先进入/etc/pki/CA/此目录>
①CA的私钥文件：/etc/pki/CA/private/cakey.pem
    CA]#(umask 066; openssl genrsa -out private/cakey.pem -des 2048 ) 
     -des <使用对称加密设置密码，防止私钥被盗用>
②生成自签名证书
    CA]# openssl req -new -x509 -key private/cakey.pem -days 3650 -out cacert.pem
        填写相关信息：
            :CN         <国家>
            :BJ         <省份>
            :BJ         <城市>
            :xixi.com   <组织/公司>
            :ops        <部门>
            :ca.xixi.com<网站的哪个主机>
注意：创建CA时并没创建/etc/pki/CA/index.txt和/etc/pki/CA/serial文件
因此CA此时直接给其他主机颁发证书会报错。

③创建/etc/pki/CA/index.txt 颁发证书的索引文件
     CA]# touch index.txt
④创建/etc/pki/CA/serial 颁发证书的当前序号 (两个数字表示16进制)
    CA]# echo 0F > serial

至此私有CA创建完成，可以给其他主机颁发证书。

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
当有主机向CA主机发来证书申请请求时：

一、同意证书申请：
1）CA主机向请求证书颁发证书：颁发证书存放路径：/etc/pki/CA/certs/file.crt
    CA]# openssl ca -in app.csr -out certs/app.crt -days 100

此时：/etc/pki/CA/index.txt和/etc/pki/CA/serial 默认会添加记录
对应我此处使用的记录：
    CA]# cat index.txt
    V	191208123005Z	 0F unknown	/C=CN/ST=BJ/O=xixi.com/OU=ops/CN=app.xixi.com
    CA]# cat serial
    10   则下一个颁发的证书编号为10，16进制数字

── certs
│   └── app.crt
├── newcerts  <自动生成app.crt的拷贝文件放置于newcerts目录>
│   └── 0F.pem 

2）将颁发的证书传给请求主机
    CA]# scp certs/app.crt [email protected]:/data/app

================================================

此时另一主机某服务使用加密时向CA申请证书：

①新建文件夹：/data/app --> 此处仅参考使用<对应于某一服务目录下的配置文件>
    ~]# mkdir /data/app; cd /data/app<进入新建目录>
②生成对应服务的私钥文件  
    app]# (umask 077; openssl genrsa -out app.key 1024)
③生成证书申请文件<此文件为证书申请文件文件后缀一般为：filename.csr>
    app]# openssl req -new -key app.key -out app.csr
        填写相关信息：
                    :CN         <国家>
                    :BJ         <省份>
                    :BJ         <城市>
                    :xixi.com   <组织/公司>
                    :ops        <部门>
                    :app.xixi.com<网站的哪个主机>
    <因为采取的默认policy_match策略需要保持三项相同>
        countryName     = match     <国家>
        stateOrProvinceName = match <省份>
        organizationName    = match <组织/公司>
④将证书申请文件传给CA主机、等待CA主机颁发证书
    app]# scp app.csr [email protected]:/etc/pki/CA/


##############################################
# 创建CA主机的脚本？
# CA主机给服务主机颁发证书脚本？
# 合并两个脚本至同一脚本中