Linux高级篇--数据安全与加密算法

Linux高级篇–数据安全与加密算法

一、 数据安全与加密算法

1.1 数据加密

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

关于数据安全

• 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

安全算法

• 常用安全技术
    认证
    授权
    审计
    安全通信
• 密码算法和协议
    对称加密
    公钥加密
    单向加密
    认证协议

1.2 加密算法

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
• 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
• 缺陷：
    1、密钥过多：由于加密、解密使用同一密钥，因此与不同的人通信就需要一个密钥；
    2、密钥分发：密钥的安全传输无法解决；
    3、数据来源无法确认：一旦其他人得知加密方法，无法确认数据来源是否可信

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
• 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
• 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
• 缺点：密钥长，加密解密效率低下
• 算法：
    RSA（加密，数字签名）
    DSA（数字签名）
    ELGamal

非对称加密详解

• 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：Public和Secure(以下简称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

总结：
数据传输无外乎两方面内容：1、数据的安全传输 2、数据的来源可靠
假设A和B进行通信，A用B的公钥加密数据，该数据只能由B用自己的私钥机密，这就确定了数据的安全传输。
而数据签名是A用自己的私钥加密数据，B如果能用A的公钥解密，即可确定数据来源为A，这就确保了数据来源的可信度。

单项散列(哈希算法)

• 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

二、 数据加密命令gpg

应用程序：RPM

• 文件完整性的两种实施方式
• 被安装的文件
    MD5单向散列
    rpm --verify package_name (or -V)
• 发行的软件包文件
    GPG公钥签名
    rpm --import /etc/pki/rpm-gpg/RPM-GPG-KEY-redhat*
    rpm --checksig pakage_file_name (or -K)

使用gpg实现对称加密

• 对称加密file文件
    gpg -c file
    ls file.gpg
• 在另一台主机上解密file
    gpg -o file -d file.gpg

使用gpg工具实现公钥加密

• 在hostB主机上用公钥加密，在hostA主机上解密
• 在hostA主机上生成公钥/私钥对
    gpg --gen-key
• 在hostA主机上查看公钥
    gpg --list-keys
• 在hostA主机上导出公钥到wang.pubkey
    gpg -a --export -o wang.pubkey
• 从hostA主机上复制公钥文件到需加密的B主机上
    scp wang.pubkey hostB:
• 在需加密数据的hostB主机上生成公钥/私钥对
    gpg --list-keys
    gpg --gen-key
• 在hostB主机上导入公钥
    gpg --import wang.pubkey
    gpg --list-keys
• 用从hostA主机导入的公钥，加密hostB主机的文件file,生成file.gpg
    gpg -e -r wangxiaochun file
    -e 加密
    -r 指定接受信息的人
    file file.gpg
• 复制加密文件到hostA主机
    scp fstab.gpg hostA:
• 在hostA主机解密文件
    gpg -d file.gpg
    gpg -o file -d file.gpg
• 删除公钥和私钥
    gpg --delete-keys wangxiaochun
    gpg --delete-secret-keys wangxiaochun

三、 PKI和CA

3.1 为何需要PKI和CA

中间人攻击流程
client端向server端请求公钥，中间人截获该请求，向server端请求公钥
server端把真公钥发送给CLIENT端，中间人截获真公钥，把自己的假公钥发送给client端
client端使用假公钥加密数据发送给server端，中间人截获由假公钥加密的数据，用自己的私钥解密数据并篡改，再用真公钥加密把假的数据发送给server端
server端使用真公钥加密加密数据再次发送给client端，中间人截获数据后进行篡改，然后使用自己的假公钥加密数据，发送给client端，而此时client端看到的数据则为中间人篡改后的数据
这样，中间人就获取到了A和B通信的信息
存在问题：此过程说明了公钥的传输仍然存在着漏洞
解决方法：采用权威认证机构发布的CA认证证书传递公钥
采用CA公钥传递过程
A和B通讯,寻找可信的权威机构
A把自己的公钥发送给CA，CA拥有自己的公钥和私钥，通过审核后，CA用自己的私钥对A的公钥做数字签名(除了数字签名还包括CA信息，A的信息、有效期)，这些信息就是所谓的CA证书，CA把此证书颁发给A；
此时，假设B已经获取CA的公钥信息，那么通过解密证书文件，即可获取A的公钥信息；以此类推，A通过CA证书获取B的公钥信息最权威的CA证书颁发机构根CA(顶层CA)有自己的公钥和私钥；子CA通过向根CA申请获取证书，在上述过程中，假设B获得CA公钥信息，此时A和B获取的CA公钥为根CA颁发的公钥，此公钥是必须可信的，因此确保了CA公钥的可信度
在安装windows系统时，知名机构的公钥已经被安装在系统中，即获取了根CA的公钥，那么子CA颁发的证书也就确保了可信度

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

证书获取

• 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
      生成签名请求（csr）
      将csr发送给CA
      从CA处接收签名
    自签名的证书
      权威认证机构只能自已签发自己的公钥

安全协议

• SSL: Secure Socket Layer(安全套接层)
• TLS: Transport Layer Security(传输层安全协议)
      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

重放：不解密数据，把数据截取下来重新发送该数据，利用截取的数据假冒数据发送方把数据发送给接收方以获取其信息

• 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工作过程

• https工作过程：
  1、客户端client向服务端server发出请求，要登录https://www.domain.com
  2、服务端把已经拥有的证书发送给客户端，该证书内容包括服务端自己的公钥、ca的私钥签名、网站信息、证书有效期；而且该证书已经用数字签名(即使用CA的私钥加密)保证其来源的可靠性
  3、客户端信任CA，使用已经获取的CA的公钥进行解密，获取证书中服务端的公钥，此公钥确定是可靠可信的
  4、客户端生成随机字符串session key(即会话密钥，也叫对称密钥)，使用服务端的公钥加密随机字符串key，传递给服务端
  5、服务器使用自己的私钥解密公钥加密的数据，获取key
  6、随后，通讯双方即可使用key加密数据进行通讯

3.2 OpenSSL命令实现加密和创建CA

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命令实现加密

• 对称加密：
    工具：openssl enc, gpg
    算法：3des, aes, blowfish, twofish
• enc命令：
    帮助：man enc
    加密：
    openssl enc -e -des3 -a -salt -in testfile
      -out testfile.cipher
    解密：
    openssl enc -d -des3 -a -salt –in testfile.cipher
      -out testfile
    openssl ?
• 单向加密：
    工具：md5sum, sha1sum, sha224sum,sha256sum…
      openssl dgst

[root@centos7-1 data]#md5sum fstab
961c41cf7e266c35a8acb08022c3fd0a  fstab
[root@centos7-1 data]#openssl dgst -md5 fstab
MD5(fstab)= 961c41cf7e266c35a8acb08022c3fd0a
算法一致，结果也一致

[root@centos7-1 data]#openssl dgst -sha fstab
SHA(fstab)= 732fb007d706f6410b3b9e6189ebf5c4053e4102
[root@centos7-1 data]#openssl dgst -sha1 fstab
SHA1(fstab)= 6de655ee1b0a7cbfce29d244dba56a990b7b79df
注意sha算法中，sha算法和sha1算法不同

• dgst命令：
    帮助：man dgst
    openssl dgst -md5 [-hex默认] /PATH/SOMEFILE
    openssl dgst -md5 testfile
    md5sum /PATH/TO/SOMEFILE
• 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
    CBC-MAC
    HMAC：使用md5或sha1算法
• 生成用户密码：
    passwd命令:
    帮助：man sslpasswd
    openssl passwd -1 -salt SALT(最多8位)
    openssl passwd -1 –salt centos

openssl passwd -l   输入密码，生成加密的随机字符，由于加的盐不同，即使密码相同，生成的字符串也不相同
[root@centos7-1 data]#openssl passwd -1
Password: 
Verifying - Password: 
$1$6xpH2Wqj$i7MsvvvrzmAZrVG1tfd8K1
[root@centos7-1 data]#openssl passwd -1
Password: 
Verifying - Password: 
$1$2rhWY8eg$PUrw57YH.8ifw9g1tFykQ0

可以通过指定盐，相同的密码会生成相同的随机字符串
[root@centos7-1 data]#openssl passwd -1 -salt 1$2rhWY8eg
Password: 
$1$1rhWY8eg$Xr3rR0UjxAthuQtJwdVp/.
[root@centos7-1 data]#openssl passwd -1 -salt 1$2rhWY8eg
Password: 
$1$1rhWY8eg$Xr3rR0UjxAthuQtJwdVp/.

• 生成随机数：
    帮助：man sslrand
    openssl rand -base64|-hex NUM
    NUM: 表示字节数；-hex时，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

base64编码详解：
openssl rand -base64 N   生成N字节的随机数
基于base64生成的随机数，64为2^6
一个字节占8位，如果N*8能够被6整除，那么生成的随机数后不带=号(当随机数不够时，会使用=号占位)，如果N*8不能被6整除，则生成的随机数后会有=号补全
[root@centos7-1 data]#openssl rand -base64 3    3*8=24，能够被6整除
1hBC
[root@centos7-1 data]#openssl rand -base64 6    6*8=48，能够被6整除
CWXZ8A7Z
[root@centos7-1 data]#openssl rand -base64 5    5*8=40，不能够被6整除
l6y7GxA=
[root@centos7-1 data]#openssl rand -base64 11
ghFJ452U9n2kV6k=

base64编码，使用64个字符表示系统中的二进制
64字符       对应二进制(这里用十进制表示，方便理解)
A-Z               0-25 
a-z               26-51
0-9               52-61
+                 62
/                 63

[root@centos7-1 data]#echo -n "ab"|base64
YWI=
如a，十进制为97，二进制为01100001
如b         98         01100010
64为2^6，即使用6位表示
二进制：    011000   01 0110   0010 00   以6位分割，最后缺少两位用00补齐
十进制：      24       22       8
base64编码：  Y        W        I=       根据64字符与二进制对应表得出
由于二进制最后两位没有，是补出来的，因此base64编码中在I后加上=号，即YWI=

[root@centos7-1 data]#echo -n "abc"|base64
YWJj
二进制：    011000   01 0110   0010 011   00011 00   
十进制：      24       22       9           35
base64编码：  Y        W        J            j         
abc，一个字符占8位，三个字符24位，能够被6整除，因此base64编码中没有=号，而YWJj用同样的计算方法可以计算得出

• 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

openssl

• PKI：Public Key Infrastructure
    CA
    RA
    CRL
    证书存取库
• 建立私有CA:
    OpenCA
    openssl
• 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

搭建私有CA需要用到关键配置文件/etc/pki/tls/openssl.cnf
34 
 35 ####################################################################
 36 [ ca ]
 37 default_ca      = CA_default            # The default ca section           CA没有明确指定的情况下，使用CA_default
 38 
 39 ####################################################################
 40 [ CA_default ]               CA_default中的各选项定义
 41 
 42 dir             = /etc/pki/CA           # Where everything is kept            CA的工作目录，由openssl软件包生成
 43 certs           = $dir/certs            # Where the issued certs are kept     保存发布的证书列表
 44 crl_dir         = $dir/crl              # Where the issued crl are kept     保存吊销的证书列表
 45 database        = $dir/index.txt        # database index file.    证书的索引数据库，存放已颁发证书的相关信息，该文件默认不存在，需要手动创建，CA颁发证书后，会自动在该文件写入数据
 46 #unique_subject = no                    # Set to 'no' to allow creation of
 47                                         # several ctificates with same subject.
 48 new_certs_dir   = $dir/newcerts         # default place for new certs.      存放新颁发的证书
 49 
 50 certificate     = $dir/cacert.pem       # The CA certificate                保存根CA证书，即自签名证书
 51 serial          = $dir/serial           # The current serial number         保存下一个要颁发证书的编号
 52 crlnumber       = $dir/crlnumber        # the current crl number            保存下一个被吊销证书的编号
 53                                         # must be commented out to leave a V1 CRL
 54 crl             = $dir/crl.pem          # The current CRL                   保存证书吊销列表
 55 private_key     = $dir/private/cakey.pem# The private key                   保存私钥文件，且该文件必须被命名为cakey.pem
 
 73 default_days    = 365                   # how long to certify for    证书默认有效期
 74 default_crl_days= 30                    # how long before next CRL   吊销证书列表每30天发布一次 
 75 default_md      = sha256                # use SHA-256 by default     默认使用算法
 76 preserve        = no                    # keep passed DN ordering

 81 policy          = policy_match           策略默认使用policy_match
 82 
 83 # For the CA policy
 84 [ policy_match ]
 85 countryName             = match           国家
 86 stateOrProvinceName     = match           省
 87 organizationName        = match           公司名称
 88 organizationalUnitName  = optional        组织部门
 89 commonName              = supplied        证书用途(给哪个网站使用)，必须提供
 90 emailAddress            = optional        邮箱
 注意：policy_match策略要求国家、省、公司名称必须相同，其他项可以不同
 
 92 # For the 'anything' policy
 93 # At this point in time, you must list all acceptable 'object'
 94 # types.
 95 [ policy_anything ]                  policy_anything策略允许每项都不相同    
 96 countryName             = optional
 97 stateOrProvinceName     = optional
 98 localityName            = optional
 99 organizationName        = optional
100 organizationalUnitName  = optional
101 commonName              = supplied      该选项必须提供
102 emailAddress            = optional
注意：policy_anything策略各选项不必相同

创建CA和申请证书

• 创建私有CA：
    openssl的配置文件：/etc/pki/tls/openssl.cnf
    三种策略：匹配、支持和可选
      匹配指要求申请填写的信息跟CA设置信息必须一致
      支持指必须填写这项申请信息
      可选指可有可无
• 1、创建所需要的文件
    touch /etc/pki/CA/index.txt 生成证书索引数据库文件
    echo 01 > /etc/pki/CA/serial 指定第一个颁发证书的序列号
  注意：如果没有创建/etc/pki/CA/index.txt和/etc/pki/CA/serial文件，在颁发证书时会出错
• 2、 CA自签证书
    生成私钥
    cd /etc/pki/CA/
    (umask 066; openssl genrsa -out /etc/pki/CA/private/cakey.pem 2048)
    生成自签名证书
    openssl req -new -x509 –key /etc/pki/CA/private/cakey.pem -days 7300 -out /etc/pki/CA/cacert.pem
      -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：证书的有效期限
      -out /PATH/TO/SOMECERTFILE: 证书的保存路径
  注意：创建时，要填写必要的信息：国家、省、公司名等
• 3、生成私钥以及证书申请
    在需要使用证书的主机生成证书请求，给web服务器生成私钥
      (umask 066; openssl genrsa -out /etc/pki/tls/private/test.key 2048)
    生成证书申请文件
      openssl req -new -key /etc/pki/tls/private/test.key -days 365 -out /etc/pki/tls/test.csr (-day 365可以省略不写，因为证书有效期由颁发机构指定)
  注意：申请CA证书填写的内容中国家、省、公司名必须与服务器端自签名证书中的一致
  把证书申请传递到服务器端
    将证书请求文件传输给CA
      scp /etc/pki/tls/test.csr x.x.x.x:/etc/pki/CA (x.x.x.x为服务器ip地址)
• 4、CA签署证书，并将证书颁发给请求者
      openssl ca -in /etc/pki/CA/test.csr –out /etc/pki/CA/certs/test.crt -days 365
      注意：默认国家，省，公司名称三项必须和CA一致
    查看证书中的信息：
      openssl x509 -in /PATH/FROM/CERT_FILE -noout -text|issuer|subject|serial|dates
      openssl ca -status SERIAL 查看指定编号的证书状态
• 5、吊销证书
    在客户端获取要吊销的证书的serial
      openssl x509 -in /PATH/FROM/CERT_FILE -noout -serial -subject
    在CA上，根据客户提交的serial与subject信息，对比检验是否与index.txt文件中的信息一致，吊销证书：
      openssl ca -revoke /etc/pki/CA/newcerts/SERIAL.pem
    指定第一个吊销证书的编号,注意：第一次更新证书吊销列表前，才需要执行
      echo 01 > /etc/pki/CA/crlnumber
    更新证书吊销列表
      openssl ca -gencrl -out /etc/pki/CA/crl.pem
    查看crl文件：
      openssl crl -in /etc/pki/CA/crl.pem -noout -text

知识扩展：

如果再次申请CA证书，申请证书填写的信息(国家、省、公司名称)与根CA证书信息不一致，将出现以下错误信息：
The stateOrProvinceName field needed to be the same in the
CA certificate (xxxx) and the request (xxxx)
解决方法：
更改/etc/pki/tls/openssl.cnf配置文件
 方法1：把policy_match策略更改为policy_anything，任意匹配
 81 policy          = policy_match                                      
方法2：把国家、省、公司名称后的match更改为optional
 84 [ policy_match ]
 85 countryName             = match
 86 stateOrProvinceName     = match
 87 organizationName        = match
 88 organizationalUnitName  = optional
 89 commonName              = supplied
 90 emailAddress            = optional