加密解密技术介绍和OpenSSL介绍

       网络上实现安全传输是一件非常必要的事情，此篇博文主要介绍一下四种常见的加密解密技术和PKI机制以及如何通过openssl建立私有CA。

一、加密解密技术

（1）对称加密

   主要加密算法：

        1、DES：Data Encryption Standard 数据加密标准

加密端：将明文划分为64bits为一块，用密钥加密产生64bits的密文

解密端：还原回64bits密文

加密和解密均使用56bits的密钥

        2、3DES：Triple DES；也就是进行三次DES加密

        3、AES:Advanced Encryption Standard;

 高级加密标准；密钥可为128bits，192bits，256bits，384bits

        4、Blowfish，使用1-448bits的密钥，将明文划分为64bits的块；

      5、Twofish，采用128, 192, 256bits的密钥，将明文划分为128bits的块

      6、IDEA，采用128bits密钥，将明文划分为64bits的块；

      7、RC6， 256 位密钥和 128位块大小

        8、CASTS，64 位块加密, 允许最大 128 位的块大小，使用 128 位密钥

        特性：1、加密和解密使用同一个密钥，但是加密和解密算法可能不同；

                   2、将原始数据分割为固定大小的块，逐个进行加密；

（2）公钥加密

   主要加密算法：

1、RSA（既能实现数字签名，又能实现加解密）

2、DSA，digital Signature Algorithm（数字签名标准）

3、ELGamal，既能用于数据加密也能用于数字签名，其安全性依赖于计算有限域上离散对数这一难题

   公钥：从私钥中提取的，公开给所有人；

   私钥：通过工具创建，使用者自己留存，必须保证其私密性；secret key

   特点：用公钥加密的数据，只能适用与之配对的私钥加密；反之亦然；

   用途：

      数字签名：主要在于让接收方确认发送方的身份；

      密钥交换：发送方用对方的公钥加密一个对称密钥，并发送给对方；

      数据加密：加密数据成为密文；

（3）单向加密

          主要加密算法：

       1、md5：Message Digest 5，128bits定长输出

       2、sha1：Secure Hash Aigorithm 1，160bits定长输出

          又有sha224,sha256,sha384,sha512

   特性：即提取数据指纹（特征码），只能加密不能解密，定长输出，雪崩效应

   功能：完整性验证。

（4）密钥交换

           主要加密算法： 

                     1、公钥加密

       有一个风险，密码是在网上传输，有可能会被暴力破解；

        2、DH（Deffie-Hellman）

        

      Alice和Bob最终都得到了同样的值，因为在模p下和 相等。注意a, b 和 g^ab = g^ba mod p 是秘密的。其他所有的值�C p, g, g^a modp, 以及 g^b modp �C都可以在公共信道上传递。一旦Alice和Bob得出了公共秘密，他们就可以把它用作对称密钥，以进行双方的加密通讯，因为这个密钥只有他们才能得到。此密钥依赖于大素数；（此段解释出自维基百科）

 

二、 PKI机制

   PKI（Public KeyInfrastructure）即公钥基础设施，它包括：

签证机构：CA

注册机构：RA

证书吊销列表：CRL

证书存取库：

 

X.509v3：定义了证书的结构以及认证协议标准，它包括

证书版本号

证书序列号

数字签名算法ID

发行者名称

证书有效期限

证书主体名称

证书主体公钥

发行者的唯一标识

主体的唯一标识

扩展

发行者的签名：单向加密以上内容项

（1）没有PKI机制的加密通信过程

   A要给B加密一段数据发送过去

 缺陷：接收方的公钥可能会被人冒充；这个缺陷会引发中间人攻击（man-in-middle）

（2）增加PKI机制的加密通信过程

   主要是为了解决公钥的可信问题，增加PKI机制后的通信过程比上述过程增加了验证证书的环节；

   验证证书：

    当接收方拿到发送方的公钥，会要求发送方发送可信机构为其签署的证书，而后验证证书内容,根据这个验证结果来确定公钥的可信性；

   索要证书的过程是基于SSL会话的方式进行的：

   SSL会话：

   

        第一阶段：ClientHello：

支持的协议版本。比如tls 1.2；

客户端生成一个随机数，随后用于生成“会话密钥”；

支持的加密算法，比如AES、RSA；

支持的压缩算法；

第二阶段：ServerHello

确认使用的加密通信协议版本，比如tls 1.2；

服务器端生成一个随机数，稍后用于生成“会话密钥”；

确认使用的加密方法；

服务器证书；

（如果服务器需要验证客户端证书则会索要客户端证书）

第三阶段：

验证服务器证书，在确认无误之后取出其公钥；

发送以下信息给服务器：

一个随机数：用于服务器公钥加密；

编码变更通知：表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送

客户端握手结束通知。

第四阶段：

收到客户端发来的第三个随机数pre-master-key后。计算生成本次会话所用到的“会话密钥”；

向客户端发送如下信息：

编码变更通知：表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送

服务器握手结束通知。

   验证的证书内容： 

（1）用CA的公钥解密CA的签名，说明证书的来源可靠。

（2）用同样的加密算法加密证书得到特征码，与解密出的特征码比对，若一致，则完整性可靠；

（3）检查证书的有效期限

（4）验证主体名称是否符合；

（5）检查证书是否被吊销；

三、 OpenSSL介绍和使用openssl创建私有CA

（1）OpenSSL介绍

    OpenSSL是SSL协议/TLS协议的开源实现程序，它由三部分组成

libcrypto：通用加密库，提供各种加密函数

libssl：TLS/SSL协议的实现；基于会话实现了身份认证、数据机密性和会话完整性的TLS/SSL库

openssl：多用途命令行工具；

     注意：libcrypro和libssl主要是供给开发者使用；在这里我们仅说明一下openssl的使用；

openssl命令

          使用格式：openssl command [ command_opts ] [command_args ]

它通过众多的子命令来实现各种不同的功能，子命令分为三类：

     标准命令（enc，ca，req，genrsa，passwd，dgst...)可通过openssllist-standard-commands 查看.

     消息摘要命令（如md5等子命令）可通过 openssl list-message-digest-commands 查看

     加密命令（如des子命令）可通过 openssl list-cipher-commands 查看

注意：由于openssl有众多子命令，所以 man openssl 并不能看到子命令的帮助文档，想要查看子命令的帮助信息，应该先whatis command，然后再man command，

例如：

~]# whatis passwd
sslpasswd (1ssl)  - compute password hashes
passwd (1)      - update user's authentication tokens
passwd (5)      - password file
~]# man sslpasswd

1、常用命令

 1> enc 实现对称加密

   支持的算法：3des,aes,blowfish,twofish

   常用选项： 

           -in filename：指明需要加密的文件

           -outfilename：知名密文输出的文件

           -salt：加密时加一点杂质

           -e ：加密数据

           -d ：解密数据

           -des3... ：指明加密算法

           -a ：使用base64，base64基于64个可打印字符来表示二进制数据。如无此项，加密密文

                  是乱码

例如：

加密
~]# openssl enc -e -des3 -a -salt -in test -outtest.crypt
解密
~]# openssl enc -d -des3 -a -salt -out test -in test.crypt

 2> dgst 实现单向加密

    dgst命令： openssl dgst -md5 /PATH/TO/SOMRFILE

 此处-md5为单向加密算法，此外还有-md2，-md4，-rmd160，-sha，-sha1

 3> passwd 生成用户密码

    openssl passwd -1-salt SALT

      -1：表示MD5算法，目前仅支持md5算法

      -salt SALT：SLAT是杂质，一般是随机数。

 例如：

~]# openssl passwd -1-salt $(openssl rand -hex 4)

此处说明生成随机数的方法

openssl rand -hex NUM 即可生成一个16进制字符串

例如：

~]# openssl rand -hex 4

 4>genrsa 生成私钥

   一般使用方法：(umask 077; openssl genrsa -out /PATH/TO/PRIVATE_KEY_FILE  NUM_BITS)

   其中umask 077保证私钥仅创建者可读；NUM_BITS必须是2的N次方；

例如：

~]# (umask 077;openssl genrsa -out fisrt.pri 512) 
Generating RSA private key, 512 bit long modulus
...........++++++++++++
...++++++++++++
e is 65537 (0x10001)
~]# cat fisrt.pri 
-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
MIIBOgIBAAJBAL3I5YfgHBp6X8LJLXWb4d09hmjpnW0/cO5Hkt45tTaiZtCRnu4v
Dt0fLKBNVsirztD4mXR6KHvx91pWAMgNR+kCAwEAAQJAE1UnrJOzyS62Go2Lx/M9
KuBdlMpXcw2HX36DA4g1YX80YJIpEbElUtSAJ1mnm73HU0YBQaW7/+moSsXTgpvW
AQIhAPmixZqK8JLkDHmk8OjxOCQzWJFm7uZ0SBcN5v+eUvJRAiEAwp+C8V+hm+DE
qj6guba6Qm1B/GixioSb6QZooNIEPhkCIQDIbxTRvPTkPA54LSLxJZy6FC/srwTq
LDslp5ftbaWTwQIgGuGlWGl5DOqyv0D/Oid++oXUw2RCgXtnfXwhH3VimKECIAK1
lEloDaB18V+tK9d46JQXZAWBg3s+2oOL/AyjLBah
-----END RSA PRIVATE KEY-----

 5> rsa 提取公钥 

   一般使用方法 openssl rsa -in  /PATH/FROM/PRIVATE_KEY_FILE  -pubout

 例如：

~]# openssl rsa -in fisrt.pri -pubout
writing RSA key
-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MFwwDQYJKoZIhvcNAQEBBQADSwAwSAJBAL3I5YfgHBp6X8LJLXWb4d09hmjpnW0/
cO5Hkt45tTaiZtCRnu4vDt0fLKBNVsirztD4mXR6KHvx91pWAMgNR+kCAwEAAQ==
-----END PUBLIC KEY-----

（2）使用openssl创建私有CA（配置文件在/etc/pki/tls/openssl.cnf的[ ca ]段）

   概述：在将要被配置为CA的主机上生成一个自签证书，并为CA提供所需要的目录及文件即可

1、在/etc/pki/CA/private/下生成密钥cakey.pem

~]# (umask077;openssl genrsa -out /etc/pki/CA/private/cakey.pem 4096)
Generating RSA private key, 4096 bit long modulus
.........................................................++
..................................................................................++
e is 65537 (0x10001)

2、生成自签证书

~]# openssl req -new-x509 -key /etc/pki/CA/private/cakey.pem -out /etc/pki/CA/cacert.pem -days 300
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [XX]:CN     
State or Province Name (full name) []:ShangHai
Locality Name (eg, city) [Default City]:ShangHai
Organization Name (eg, company) [Default Company Ltd]:OpenHome       
Organizational Unit Name (eg, section) []:Ops
Common Name (eg, your name or your server's hostname) []:centos 7
Email Address []:[email protected]

    -x509：自签证书,专用于创建私有CA时；

    -new：生成新证书签署请求

    -key：生成请求时用到的私钥文件路径

    -out：生成的请求文件路径；如果自签操作将直接生成签署过的证书；

    -days：证书的有效时长，单位是天

注意：虽然指向的是私钥文件，但是会自动提取出公钥写入；

 

3、为CA提供所需的目录和文件

~]# mkdir/etc/pki/CA/{certs,crl,newcerts} -----> 注意：若这些文件存在则不用执行此步
~]# touch /etc/pki/CA/{serial,index.txt}
~]# echo 01 > /etc/pki/CA/serial

至此私有CA创建成功。

 

验证CA服务器颁发证书

以一台web服务器为例，向CA服务器请求一个证书

1、在web服务器所在主机的/etc/httpd目录下新建ssl目录，并在这个目录下生成一个私钥文件

[root@COS6 httpd]#mkdir ssl
[root@COS6 httpd]# cd ssl
[root@COS6 ssl]# (umask 077;openssl genrsa -out httpd.key 2048)
Generating RSA private key, 2048 bit long modulus
........................+++
...........................................................................................................+++
e is 65537 (0x10001)

2、在web服务器上生成证书签署请求

[root@COS6 ssl]#openssl req -new -key httpd.key -out httpd.csr -days 365
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [XX]:CN
State or Province Name (full name) []:ShangHai
Locality Name (eg, city) [Default City]:ShangHai
Organization Name (eg, company) [Default Company Ltd]:OpenHome
Organizational Unit Name (eg, section) []:Ops
Common Name (eg, your name or your server's hostname) []:centos 7
Email Address []:[email protected]

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:123456    
An optional company name []:tianchao

注意：这一步的信息必须和CA的信息保持一致；

3、将请求通过可靠方式发送给CA服务器，我们这里是测试，所以使用scp工具，但实际使用中建议更安全的方式来传递请求

[root@COS6 ssl]# scphttpd.csr [email protected]:/  ---> 172.16.25.71是CA服务器

4、CA服务器签署web服务器发来的请求

[root@COS7 ~]# openssl ca -in /httpd.csr -out/etc/pki/CA/certs/httpd.crt -days 200
Using configuration from /etc/pki/tls/openssl.cnf
Check that the request matches the signature
Signature ok
Certificate Details:
        Serial Number: 1 (0x1)
        Validity
            Not Before: Jan  9 15:55:33 2016 GMT
            Not After : Jul 27 15:55:332016 GMT
        Subject:
            countryName               = CN
            stateOrProvinceName       = ShangHai
            organizationName          = OpenHome
            organizationalUnitName    = Ops
            commonName                = centos 7
            emailAddress              = [email protected]
        X509v3 extensions:
            X509v3 Basic Constraints: 
                CA:FALSE
            Netscape Comment: 
                OpenSSL GeneratedCertificate
            X509v3 Subject KeyIdentifier: 
               70:BE:AA:EB:B8:5E:C0:62:18:8B:D2:8E:A8:AF:9D:70:A8:ED:49:B7
            X509v3 Authority KeyIdentifier: 
               keyid:73:4E:41:9A:71:B3:F0:85:26:6E:99:1B:6B:E0:53:96:32:DC:8D:9F

Certificate is to be certified until Jul 27 15:55:33 2016 GMT (200 days)
Sign the certificate? [y/n]:y


1 out of 1 certificate requests certified, commit? [y/n]y
Write out database with 1 new entries
Data Base Updated

注意：CA服务器和客户端的httpd.csr文件在签署请求后都可以删除，以此来保证信息不泄露。

 

注：此篇博文是在CentOS系统上做的测试