非对称加密和证书总结 - 青浦海洋数码电脑城

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加密方式

公钥、私钥和证书

CSR、PEM、keystore等

OpenSSL

总结

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前几日做支付对接时，被对方文档中的加密方式搞晕乎了一会。意识到证书加密方面的理解不够深入，事后查阅参考资料补习一波。本文是根据期间的学习，以及长期以来的实践做出的总结。
加密方式返回目录密码学是涉及数学、电子信息、计算机等多学科的一门重要学科，是现代互联网安全的基石，也是目前如火如荼的区块链技术的安全保障。概括来说，加密方式可归结如下：
一、 不可逆加密
) B0 `( j6 E# L1 H. S- L/ @. p! K信息摘要（Message Digest）和安全散列（Secure Hash）算法属于此类，常见的算法包括MD5、SHA1、PBKDF2、bcrypt等。此类算法可将任意大小的原始数据变换成规定长度的输出，即获取内容的数字指纹，常用于校验原始内容是否被篡改。这类算法的主要特点是：
0 r2 Z# Q" P2 \( d2 o! y[ol]

不可逆性。除非穷举等手段，原则上不存在根据密文推断出原文的算法；

雪崩效应。对输入数据敏感，原始内容的极小改动会造成输出的大差异；

防碰撞性。原则上很难找到两组相同的原文，经过加密后密文相同。[/ol]左耳朵耗子的“RSYNC的核心算法”介绍了MD5算法在rsync中的具体应用。MD5和SHA1已经被证实不安全（王小云教授在04年找到MD5迅速碰撞方法，谷歌在17年完成了SHA1的第一次碰撞），实践中建议至少用SHA-256算法，或采用对算力不敏感的scrypt、Argon2等算法。
哈希算法的一个变种是HMAC（Hash-based Message Authentication Code）算法，用于解决身份认证和防抵赖。HMAC算法的输入为一个密钥（通信双方共享）、一种哈希算法（常为经典哈希算法）和原始数据，输出的内容格式取决于所采用的哈希算法。由于只有通信双方知晓密钥，签名正确的情况下可确认信息就是由对方发出。
% Q! c" X/ x- P2 c) A  P  W二、 可逆加密
0 q# m. a" H/ x7 D; q! ^7 s8 }8 K哈希算法的签名可保证通信中的数据不被篡改，可逆加密算法是还原出明文的关键。可逆加密算法可分成三类：
8 A' d5 n/ {; C' g+ Q[ol]

基于算法的加密算法，也被称为古典加密算法，如http认证中的base64，比特币生成地址用的base58（公开的算法也可称作编码方式）。这类算法主要对原始内容进行置换和替换得到密文，安全性依赖于算法是否外泄；

对称加密算法，加密和解密使用同一个密钥。对称加密算法的出现标志密码学进入现代密码学阶段，密文的安全性从依赖于算法转向依赖于密钥。常见的对称加密算法有DES、3DES、AES；

非对称加密算法，加密和解密使用不同的密钥。非对称加密算法开创了密码学的里程碑，解决了对称加密过程中密钥分发的安全问题，被认为现代密码学最伟大的发明。常见的算法有RSA、DH（Diffie-Hellman）、椭圆曲线算法（Elliptic curve cryptography，ECC）。[/ol]非对称算法设计巧妙，但实际中要结合对称加密使用。原因是某些算法不能加解密（DH、DSA），或者效率太低（RSA），或者能处理的数据大小有限制（RSA）。而对称加密算法的有点是速度快，加密强度高。常用非对称算法获得共享密钥，之后用对称加密处理数据。
本文的重点是非对称加密及其衍生概念，下面逐一介绍。
% P" ~! Y6 k$ q 公钥、私钥和证书返回目录除算法外，非对称加密中另外两个重要的概念是公钥和私钥。公钥对外公开，任何人均可持有和使用；私钥自行保管，其安全性是通信安危的关键。例如OpenSSH客户端默认会拒绝用权限开放的私钥连接服务器，会出现如下提示：
# 放开私钥权限
" G  T2 S% {, x# r! q( z/ A! C. bchmod 644 ~/.ssh/id_ras
) t$ X& u2 h; r# 连接服务器
1 |, M' g8 A8 p- P  Xssh server
3 m4 a1 r6 L) U& i# openssh 客户端出现如下报错：
1 a2 E% B# V; L, U- S/ ?Permissions 0644 for '/home/tlanyan/.ssh/id_rsa' are too open.
/ S' `1 M2 h3 n7 u! FIt is required that your private key files are NOT accessible by others.
# ?# j- e. _; U) gThis private key will be ignored.
' R6 ~1 d2 {3 CLoad key "/home/tlanyan/.ssh/id_rsa": bad permissions
3 t/ L# A3 m# X# Y1 b' |Permission denied (publickey,gssapi-keyex,gssapi-with-mic).
私钥和公钥的作用一般分为两种：
[ol]

公钥加密，私钥解密，主要用于通信；

私钥签名，公钥验证，主要用于签名。[/ol]本次做支付对接时，对其算法疑虑的地方是需要用到私钥，按理要用对方的公钥加密才对啊！后来意识到是用作数据签名，用客户端的私钥是正确的。
2 k7 f6 Y# o* h+ u3 f/ `/ o理论上有了公钥和密钥，双方就可以安全无碍的通信，那常说的证书是怎么回事？
证书，顾名思义，就是证明的文件。例如浏览器和tlanyan.pp.ua服务器通信，浏览器怎么知道对方就是tlanyan.pp.ua对应的服务器呢？在不可信的网络下通信，中立的第三方作用就显现出来了。权威的第三方中立机构（同常是Certificate Authority, CA）给tlanyan.pp.ua的持有者颁发证书，证明其就是域名所有人。服务器收到请求后将证书一起发送出去，浏览器对证书进行检查，并向第三方询问是否为真，确认无误后，就可以放心的通信了。
  t2 \% \( B" G: l( ~. c9 A6 A证书包含公钥，所以拿到证书意味着就拿到了对方的公钥。几乎所有的浏览器都会都证书进行校验，以确保网页通信中的安全。使用自签发的证书，或者过期、与请求主机不符合的证书，都会导致浏览器发出安全警告，提醒用户潜在的风险。
6 ?: I# n/ w4 ~1 M& n

6 `' e7 r: Z5 oCURL等第三方库一般不会对证书进行检查，服务器交互时如何确保通信的对方是真李逵而非李鬼？
答案是客户端预先存一份服务器证书，通信时校验服务端发来的证书与本地的是否一致。如果不一致，则说明遇到了中间人攻击，或预设的通信方实体已经变更。之前做微信支付的对接，不理解微信的服务器证书的作用，后来才理解其深意。
许多国外网站使用https，照样倒在国内伟大的防火墙之下。根据https加密通信的特点，同时CA加持，原则上墙是不可能知道通信的内容。那么在https通信时，墙是怎么识别出来并阻断的？个人认为有三个可切入的点：
, |8 ]2 {9 p0 _1 n9 d[ol]

DNS污染，返回错误的IP地址；

直接把域名的所有IP封掉；

根据HTTPS的交互流程，客户端和服务器协商密钥阶段的数据均为明文，获取密钥后才会加密数据（包括URL）。协商阶段的证书必然出现网站主机名，防火墙在这个阶段可识别进并阻断。[/ol]以上想法出自个人猜测。
7 t5 q1 i4 B+ k4 `7 q总结：通信的私钥应该总是被妥善保管，在不可靠的网络环境下通信，证书能避免中间人攻击。
CSR、PEM、keystore等返回目录苹果开发会接触到CSR、证书，安卓开发会用到keystore，web开发会用到pem、密钥、证书、jks等。这些都是什么？
CSR(Certificate Sign Request）、公钥、密钥和证书归属为一类。CSR用来获取证书，包含申请人的公钥、邮件等证明身份的信息。证书颁发结构（可以是自己）收到CSR后签发证书，生成的证书中包含公钥、有效期、持有人等信息。私钥可单独生成，也可在生成CSR的同时生成。整个过程中，私钥应当都要被妥善保管，不能泄露。
6 r, g+ i" ?* }3 _+ ekeystore、pem、cer/crt、key等文件存储格式可归为一类。Java KeyStore（文件后缀.keystore或.jks）是Java常用的存储密钥和证书的文件格式，需要设置文件密码、别名和别名密码，安卓打包和部署Tomcat时会用到；PEM(Privacy Enhanced Mail)以文本形式存放私钥和证书（链）；cer/crt和key分别用来存放证书和密钥；另外一种常见的格式是pfx或者p12，同jks格式，这类文件一般是二进制，访问需要密码。
) S% h' E6 D/ M% ~' S4 HPKI(Public key infrastructure)体系构建在公钥加密基础之上，主要解决证书的颁发和管理问题。证书管理中应用广泛的两个标准是X509和PKCS。遵循X509标准的证书文件结尾多为pem、der、crt等；遵循PKCS标准的证书常用后缀名是pfx,p12等。
: @' _) ?( b; g- t* s本次对接晕乎的第二个地方是一处地方读取密钥需要密码，另一处直接读取。根据存储格式可知原因：从遵循PKCS#12标准的pfx文件读取需要密码，遵循X509规范的PEM文件则可直接查看密钥内容。
OpenSSL返回目录OpenSSL是通用的加密库，openssl是基于其的命令行工具，上文提到的内容基本都在其功能范围内。另一个与openssl类似的工具是GPG(GNU Privacy Guard)，区别是OpenSSL遵循X509标准，GPG遵循OpenPGP标准。两者加密的文件在格式上有所差异，无法解开对方加密过的文件。OpenSSL和GPG内置在大多数*nix系统中，可直接使用。以下的示例基于OpenSSL，gpg的用法可查看文中最后的参考文献。
openssl命令的man页面描述了其能力范围：
2 g( B/ G0 J5 z* R6 \# ~The openssl program is a command line tool for using the various cryptography functions of
OpenSSL's crypto library from the shell.  It can be used for
    o  Creation and management of private keys, public keys and parameters
    o  Public key cryptographic operations
    o  Creation of X.509 certificates, CSRs and CRLs
. E# w9 ^$ T0 B0 B    o  Calculation of Message Digests
    o  Encryption and Decryption with Ciphers
    o  SSL/TLS Client and Server Tests
    o  Handling of S/MIME signed or encrypted mail
4 J- R3 q* R/ J* O3 t/ j    o  Time Stamp requests, generation and verification
接下来看一些简单的openssl使用示例：
md5：
echo tlanyan | openssl md5
## 结果与下条命令相同
7 e3 z- O7 A8 X4 O) c# y+ eecho tlanyan | md5sum
aes加解密：
5 W, k6 K$ J& A2 m" w1 T# 用法
( h7 u# ~  o; F6 k& P) e( x# openssl aes-128-cbc -e -in 加密文件 -out 解密文件 -pass pass:密码
% b, I3 n9 G! ~" Q( T* r" j# 例如
0 h* m2 L" R/ F% t" becho tlanyan > input
openssl aes-128-cbc -e -in input -out output -pass pass:1234567890abcdef
) {8 \4 i" Q8 a8 M+ }: W# 加密的内容在output中
# M3 t6 n4 Y. w' K4 K# 解密
1 ?5 Q7 D  l- zopenssl aes-128-cbc -d -in output -o origin -pass pass:1234567890abcdef
$ w. D  E" X! _. l生成CSR、签发证书：
# 先生成csr和私钥
# 注意使用-nodes选项，否则私钥会有密码，用在nginx启动时需要手动输入
0 m4 k  B9 C/ K; o1 N% M6 w% oopenssl req -new -out tlanyan.csr -newkey rsa:2048 -nodes -keyout tlanyan.priv.key
# 接下来的交互里填入一些基本信息，完毕后会生成tlanyan.csr和tlanyan.priv.key两个文件
# csr的格式如下：
# -----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----
# xxxx
# -----END CERTIFICATE REQUEST-----
# 密钥文件的格式类似
6 n9 L) }  O, W4 f# 有了csr，接下来为自己签发证书
openssl req -x509 -sha256 -nodes -days 365 -in tlanyan.csr -key tlanyan.priv.key -out tlanyan.crt
# ^" M1 f. o- A  I) K( y3 U# 命令结束后，目录中出现tlanyan.crt的证书文件
# 校验密钥
1 q0 }, h* Y. R0 |5 B' \! vopenssl rsa -in tlanyan.priv.key --check
$ W- d3 A* r( c, X6 v! R# 校验csr
openssl req -in tlanyan.csr -verify
# 校验证书
- g- B  T9 V8 g# H, i/ \openssl x509 -in tlanyan.crt -text -noout
转换各种不同格式的证书：
# 将pem格式转换成pfx/p12格式
openssl pkcs12 -export -out tlanyan.pfx -inkey tlanyan.priv.key -in tlanyan.crt
# 将pfx格式转换成pem格式
+ F  K* Y4 d* ~9 N2 U$ Z$ T) r; Uopenssl pkcs12 -in tlanyan.pfx -out tlanyan.cer -nodes
# 生成的tlanyan.cer文件包含了证书和公钥，对应导入前的tlanyan.crt和tlanyan.priv.key两个文件
pem和jks的格式转换太过复杂，具体请看Oracle的文档。
以上演示了openssl工具包中的极小一部分命令。更多的用法请参考官方文档。
总结返回目录本文介绍了非对称加密和证书的相关概念，并演示了openssl命令的一些用法。文章涉及内容较多，理解上稍显难度。另外本文参考了不少文章，理解上的不到之处敬请指正。
: J4 j6 ~$ W- H: i6 @感谢阅读！
参考返回目录[ol]

https://coolshell.cn/articles/7425.html

http://www.tldp.org/HOWTO/SSL-Certificates-HOWTO/x64.html

https://legacy.gitbook.com/book/yeasy/blockchain_guide/details

https://www.integralist.co.uk/posts/security-basics/

https://rakhesh.com/infrastructure/notes-on-cryptography-ciphers-rsa-dsa-aes-rc4-ecc-ecdsa-sha-and-so-on/

https://www.sslshopper.com/what-is-a-csr-certificate-signing-request.html

http://www.cnblogs.com/jeremy-blog/p/5291296.html

https://www.sslshopper.com/ssl-converter.html

https://docs.oracle.com/cd/E35976_01/server.740/es_admin/src/tadm_ssl_convert_pem_to_jks.html[/ol]AD：【国外VPS推荐】 Vultr全球16个数据中心，高速SSD硬盘，月付2.5$起，注册充10$送100$打赏赞(3)