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。
! t' ?% `' [1 a" q) H. R4 z9 Q 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
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：
! w- j5 `! c  C: ~, L[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。
( v; X/ B5 A. ~% o- A7 H7 e+ b# ^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。
$ @: c7 a& y5 ?3 i4 z1 M3 b二、 可逆加密
* e) m! g* _. P- f  p/ y3 ~: \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：
[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。
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：
1 I0 Q/ F6 z! y/ }1 P' I" ^# 放开私钥权限
  z1 {: Y# B  D4 Z. Jchmod 644 ~/.ssh/id_ras
# 连接服务器
ssh server
# openssh 客户端出现如下报错：
Permissions 0644 for '/home/tlanyan/.ssh/id_rsa' are too open.
It is required that your private key files are NOT accessible by others.
# l) l8 h6 T! KThis private key will be ignored.
Load key "/home/tlanyan/.ssh/id_rsa": bad permissions
7 @9 i0 w* q  h+ \. d# S$ C8 ], \Permission denied (publickey,gssapi-keyex,gssapi-with-mic).
私钥和公钥的作用一般分为两种：
1 ]& l9 L, s  J0 @[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。
# l' [2 ~: j- S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。
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。
0 S" s- V, X4 B2 t7 c+ o

- _5 {1 [" X" FCURL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？
0 S, r$ R- L' m& |: R! D; [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。
: `8 m2 P7 H1 {) R1 v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：
/ Q% r" J# U+ A% i5 x[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。
' p( @4 ^+ E9 {2 F) [$ z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。
% d$ H7 z- Q- m) q+ N9 Ykeystore、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。
! n7 W4 y5 U6 q! k% P0 R+ x+ ?PKI(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。
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。
. x3 w1 x' Z- p+ p 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：
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
4 s5 V$ B  i- p0 |" x; z    o  Public key cryptographic operations
    o  Creation of X.509 certificates, CSRs and CRLs
( k/ J- z0 G' T9 N# [1 Z$ v1 |    o  Calculation of Message Digests
5 X9 ?- l- b; i    o  Encryption and Decryption with Ciphers
8 {: Y9 f& i1 p    o  SSL/TLS Client and Server Tests
    o  Handling of S/MIME signed or encrypted mail
! w% L% H) _3 A0 {1 m! S7 S    o  Time Stamp requests, generation and verification
, m9 K, L* ]) b4 N( z, I& n3 w* ]) A7 `接下来看一些简单的openssl使用示例：
; X5 B0 h( a2 p: Q+ |1 W6 r/ u8 zmd5：
echo tlanyan | openssl md5
## 结果与下条命令相同
echo tlanyan | md5sum
aes加解密：
$ X& U& P& M! h7 K, n# 用法
# openssl aes-128-cbc -e -in 加密文件 -out 解密文件 -pass pass:密码
# 例如
' k9 G4 }, x$ Z5 Fecho tlanyan > input
openssl aes-128-cbc -e -in input -out output -pass pass:1234567890abcdef
" M, Z: r. [& l1 l3 W3 s# 加密的内容在output中
3 S* v6 u# ?7 Z+ b* i4 @# 解密
openssl aes-128-cbc -d -in output -o origin -pass pass:1234567890abcdef
生成CSR、签发证书：
# 先生成csr和私钥
4 A5 ^' l- Z2 v, M* J+ G# 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
* j+ O8 Y# y# O. nopenssl 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：
5 `% ^, K$ x* M+ w0 |# -----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----
" Y0 R) d) e- `$ T- K# xxxx
# -----END CERTIFICATE REQUEST-----
" P. E' g+ R. A/ U# 密钥文件的格式类似
' @' t" Q4 d) C# 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
! ?1 ~% |1 |) l1 H' k# 命令结束后，目录中出现tlanyan.crt的证书文件
# 校验密钥
openssl rsa -in tlanyan.priv.key --check
# 校验csr
* M, ]0 @; h, Jopenssl req -in tlanyan.csr -verify
# 校验证书
9 @  b4 J0 K/ _- h# ?/ ?2 d3 M; K( \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
5 N$ C" @' Y0 S6 z4 x4 v- topenssl pkcs12 -export -out tlanyan.pfx -inkey tlanyan.priv.key -in tlanyan.crt
# 将pfx格式转换成pem格式
0 `- G% Z1 Z6 @7 ropenssl pkcs12 -in tlanyan.pfx -out tlanyan.cer -nodes
6 u# j: Q% h) r& L( L; C# 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
7 d, c9 V( x, \* p- D- j  S+ |7 V7 Mpem和jks的格式转换太过复杂，具体请看Oracle的文档。
% D$ E- @& T# E+ n9 ~+ r' u+ v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。
  |) ^# d! [6 F6 f. r& F 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。
感谢阅读！
7 c9 t! O9 _0 @! k) {) \ 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)