加密、解密原理和openssl自建CA过程详解

作者: hjqjk | 来源:发表于2017-06-19 20:46 被阅读819次

一、加密和解密相关知识简介

1、信息安全标准

NIST（National Institute of Standards and Technology）美国国家标准与技术研究院，制定了网络信息安全与保密的三个要素：（这三大要素被简称为：CIA）

保密性(confidentiality)：信息不泄露给非授权用户、实体或过程，或供其利用的特性。（一般包括数据保密性、隐私性。）

完整性(Integrity)：数据未经授权不能进行改变的特性。即信息在存储或传输过程中保持不被修改、不被破坏和丢失的特性。（一般包括数据完整性、系统完整性。）
可用性(Availability)：可被授权实体访问并按需求使用的特性。即当需要时能否存取所需的信息。例如网络环境下拒绝服务、破坏网络和有关系统的正常运行等都属于对可用性的攻击；

尽管三要素能保证网络信息安全和保密，但从很多从事网络安全的研究人员的反馈发现，除了CIA外，还有另外两个标准也被经常提醒：

真实性：一个实体是真实的，是可被验证的。要确保数据发送方的确是它所声称的那个人。

可追溯性：一旦受到攻击，能追溯攻击发生的原处在什么地方。

2、OSI组织定义的安全框架x.800

安全攻击：

被动攻击：窃听、（常见报文捕获、监听流量）
主动攻击：伪装、重播、消息修改、拒绝服务

安全机制：

加密、数字签名、访问控制、数据完整性、认证交换、流量填充、路由控制、公证

安全服务：

认证：同等实体认证
访问控制
数据保密性：连接保密性、无连接保密性、选择域保密性、流量保密性
数据完整性：不允许插入、删除、修改、重播
不可否认性

3、加密方式和算法

(1)、对称加密

对称加密：采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密。
对称加密的算法：

DES : 数据加密标准（56位密钥）
3DES
AES ：高级加密标准（128，192，256，384，512）
Blowfish
Twofish
IDEA
RC6
CAST5

对称加密的特性：

加密、解密使用同一口令；
将明文分隔成固定大小的块，逐个进行加密

对称加密的缺陷：

密钥过多；
密钥传输；
密钥交换、身份验正、数据完整性

(2)、公钥加密

公钥加密：由对应的一对唯一性密钥（即公开密钥和私有密钥）组成的加密方法。

密钥：public key, secret key （p/s）
公钥是从私钥中提取出来的。
公钥加密，只能私钥解密。私钥加密，也只能公钥解密。

常用加密算法：

RSA
DSA:只能用于身份验证
EIGamal

(3)、单向加密

单向加密：不可逆的加密
单向加密特性：

定长输出: 无论原始数据是多大，结果大小都相同的
雪崩效应: 输入的微小改变，将会引起结果的巨大改变

单向加密算法：

MD5（128位）、SHA1、SHA256、SHA384、SHA512

二、加密和解密的过程和原理

首先问一个问题：

假设B与A通信，B向A发送报文，怎么才能保证B的报文安全、可靠地被A接收到，并且保证报文数据的完整性？

接下来围绕着这个问题来说明一下。

加密和解密的过程和原理图

加密解密过程和原理详细说明：

1、发送端B

为保证安全，要对报文加密。加密方法有三类：对称加密、公钥加密和单向加密。对称加密不安全，单向加密是不可逆的，因而使用公钥加密。

问题：公钥加密安全（一般为2048位），但是加密过程太慢了，不适用当前网络需求，该怎么办？
为了解决上述问题，B可以用单向加密提取出报文的特征码（特征码能保证报文的数据完整性），再使用自身的私钥对特征码进行公钥加密（特征码数据小，对其进行公钥加密速度快），并把加密后的特征码附加到报文后。（使用私钥加密是为了验证身份）

问题：这种方式能实现数据完整性和身份验证的检验，但是却缺失了报文的数据保密性，又该怎么办？
为了解决上述问题，B在把加密的特征码附加到报文后，把特征码和报文当做一个数据（假设为data），使用对称加密算法对该数据(data)加密得出一个密码，再把密码附加到该数据(data)后。为了使得在传输过程中密码不被其他人获取或篡改，使用A的公钥对密码进行加密（只有A的私钥能对其解密），把加密的密码附加到数据data后，再这些数据一并发送给A。

2、接收端A

A接收到B传来的报文，利用自身的私钥对其解密，获得密码。因为只有A的私钥能对B传来的报文（使用A的公钥加密密码）解密，所以能防止其他人对该传输的报文进行解密而获得其中的信息，保证了数据的保密性。
A利用获得的密码解密其中对称加密的数据，获得经过加密的特征码和原报文。
A使用B的公钥对该特征码解密，能解密则说明该报文是B发送过来的，实现了身份验证。（假设解密后的特征码是fcode）
A使用同等单向加密算法对接收到的原报文提取其特征码。使用该特征码和解密后获得的特征码(fcode)做比较，如果一样，则说明原报文的数据完整。

问题：以上这种方式能保证数据完整性、身份验证和数据的保密性，在加密和解密的过程中都要用到对方的公钥，如何在传输过程中安全可靠地获得对方的公钥就成了关键的一环，那该如何做呢？
答：安全可靠地获取对方的公钥靠CA(Certificate Authority )证书授权中心来实现。

因而接下来，我们来说说CA。

三、CA（证书授权中心）

1、CA证书标准：x.509

x.509: 定义了证书结构和认证协议标准；（基于公钥和数字签名）
用于：IP安全、TLS/SSL（传输层安全）和S/MIME（安全电子邮件通信）

x.509证书标准详细说明：

（1）版本号（默认为1，如果有多个扩展，可能为3）
（2）证书序列号（是一个整数，在CA中唯一标识，表明发行了多少个证书）
（3）算法参数 （标志用了那种算法）
（4）发行者的名称（CA自己的名字）
（5）有效期限
（6）主体名称（证书拥有者名称）(很关键！！！)（个人用户使用的是个人用户名，主机使用的必须是主机名而不是ip地址）
（7）公钥（最重要）（公钥由证书拥有者提供）
（8）发行者的ID（CA的唯一编号）
（9）主体的ID（CA生成的证书拥有者唯一编号）
（10）扩展
（11）CA的签名（用于验证CA的来源合法性）

CA是相对于发送方B和接收方A的第三方，是具有公信力的机构。

2、验证数字证书的过程

B在发送之前获得A的数字证书或A在接收之前获得B的数字证书，都会去验证该数字证书的真伪。
以B在发送之前获得A的数字证书为例，说明验证数字证书的过程：

要用对应给A发数字证书的那个CA的公钥去解密CA的签名，如果能解密，则说明A的数字证书确实是那个信任的CA所颁发的证书。

解密出一段特征码，B再使用同样的单向加密算法提取A的数字证书的特征码，比较这两个特征码是否一样，如果一样，则表示获得的A的数字证书是完整的。
此后，还要去验证该数字证书中的持有者是不是A，如果验证通过，才可以确定该数字证书确实是A的数字证书。
确认该数字证书的拥有者是A后，还要去查看该数字证书是否在有效期限内和是否在CA的数字证书吊销列表中。

四、SSL层

1、SSL层

SSL(Secure Sockets Layer 安全套接层),及其继任者传输层安全（Transport Layer Security，TLS）是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。
版本：sslv1, sslv2, sslv3

ssl是介于应用层和传输层之间的半层，一般被制作成公共共享库，要想使用ssl就要调用ssl共享库。

2、https通信过程

HTTPS（全称：Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer），是以安全为目标的HTTP通道，简单讲是HTTP的安全版。即HTTP下加入SSL层，HTTPS的安全基础是SSL。

以https为例，进一步说明如何依靠CA来可靠的获得通信对方的公钥

https的主要实现过程说明：

（1）在通信之前，服务器端通过加密算法生成一对密钥，并把其公钥发给CA申请数字证书
（2）CA审核后，结合服务端发来的相关信息生成数字证书，并把该数字证书发回给服务器端。
（3）客户端和服务器端经tcp三次握手，建立初步连接。
（4）客户端发送http报文请求并协商使用哪种加密算法。
（5）服务端响应报文并把自身的数字签名发给服务端。
（6）客服端下载CA的公钥，验证其数字证书的拥有者是否是服务器端（这个过程可以得到服务器端的公钥）。（一般是客户端验证服务端的身份，服务端不用验证客户端的身份。）
（7）如果验证通过，客户端生成一个随机对称密钥，用该密钥加密要发送的URL链接申请，再用服务器端的公钥加密该密钥
（8）客户端把加密的密钥和加密的URL链接一起发送到服务器。
（9）服务器端使用自身的私钥解密，获得一个对称密钥，再用该对称密钥解密经加密的URL链接，获得URL链接申请。
（10）服务器端根据获得的URL链接取得该链接的网页内容，并用客户端发来的对称密钥把该网页内容加密后发给客户端。
（11）客户端收到加密的网页内容，用自身的对称密钥解密，就能获得网页的内容了。
（12）TCP四次挥手，通信结束。

五、openssl自建CA过程详解

OpenSSL是套开放源代码的软件库包，实现了SSL与TLS协议。其主要库是以C语言所写成，实现了基本的加密功能。
OpenSSL可以运行在绝大多数类Unix操作系统上（包括Solaris，Linux，Mac OS X与各种版本的开放源代码BSD操作系统），OpenVMS与Microsoft Windows。它也提供了一个移植版本，可以在IBM i（OS/400）上运作。
此软件是以Eric Young以及Tim Hudson两人所写的SSLeay为基础所发展的，SSLeay随着两人前往RSA公司任职而停止开发。
虽然此软件是开放源代码的，但其授权书条款与GPL有冲突之处，故GPL软件使用OpenSSL时（如Wget）必须对OpenSSL给予例外。

openssl建立私有CA

openssl创建私有CA的过程：

前提：安装openssl

# yum install openssl

1、建立CA服务器

（1）生成密钥

# (umask 077; openssl genrsa -out /etc/pki/CA/private/cakey.pem 2048)

命令解释：

( ) 表示将会在当前shell中新建一个子shell，将（）中的命令放到该子shell中执行，执行完毕后关闭子shell并回到当前shell。
由于要对生成的cakey.pem文件设置合适权限，可使用umask修改文件的默认权限设置。为了不影响当前shell的默认权限设置，使用（）将这些命令放到子shell中执行就行了！
genrsa : 指定使用rsa算法生成私钥
-out ：指定生成的私钥的存放位置（注意：该存放位置是在配置文件中默认定义了的，路径和文件名不能随意修改！！！）
2048 ：指定生成一个2048位的私钥

（2）自签证书

# openssl req -new -x509 -key /etc/pki/CA/private/cakey.pem -out /etc/pki/CA/cacert.pem -days 3655

命令解释：

req: 生成证书签署请求
-news: 新请求
-x509: 专门用于生成自签署证书
-key /path/to/keyfile: 指定私钥文件（req命令能根据私钥自动抽取出公钥）
-out /path/to/somefile: （注意：路径和文件名不用随意修改！）
-days n: 有效天数（一般和-x509一起使用才有意义。）

（3）初始化工作环境

只有第一次创建CA时，才需要初始化工作环境

# touch /etc/pki/CA/{index.txt,serial}
# echo 01 > /etc/pki/CA/serial   （指定序列号从那个数字开始）

2、节点申请证书

(1) 节点生成请求

生成密钥对儿

# (umask 077; openssl genrsa -out /etc/httpd/ssl/httpd.key 2048)

生成证书签署请求

# openssl req -new -key /etc/httpd/ssl/httpd.key -out /etc/httpd/ssl/httpd.csr

.csr ：证书签署请求，一般都是这样的后缀

红框中的信息，需要和CA自签证书中填写的保持一致，否则会出错。

把签署请求文件发送给CA服务器

(2) CA签署证书

验正证书中的信息
签署证书

格式：openssl ca -in /path/to/somefile.csr -out /path/to/somefile.crt -days N
说明：-in 指定证书签署请求文件； -out CA根据请求文件生成的证书，一般为 .crt 后缀；N 指定证书生效时长，天为单位

[root@localhost CA]# openssl ca -in /etc/httpd/ssl/httpd.csr -out /etc/httpd/ssl/httpd.crt -days 1000     
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: Jul  3 14:07:23 2014 GMT      
            Not After : Mar 29 14:07:23 2017 GMT      
        Subject:      
            countryName               = CN      #国家名
            stateOrProvinceName       = GuangDong   #省份名   
            organizationName          = 51CTOblog   #公司名
            organizationalUnitName    = Ops         #部门名
            commonName                = www.hjqjk.com   #主机名   
            emailAddress              = hjqjk@163.com   #邮箱   
        X509v3 extensions:      
            X509v3 Basic Constraints:       
                CA:FALSE      
            Netscape Comment:       
                OpenSSL Generated Certificate      
            X509v3 Subject Key Identifier:       
                F9:DB:00:04:8A:D7:17:C8:21:B7:2D:15:F2:E9:89:66:BB:6D:D5:F9      
            X509v3 Authority Key Identifier:       
                keyid:98:56:B3:30:B0:9D:75:A1:69:AD:BF:2F:E4:0D:FE:3F:17:87:B0:A8
Certificate is to be certified until Mar 29 14:07:23 2017 GMT (1000 days)     
Sign the certificate? [y/n]:y  #询问是否签署证书
1 out of 1 certificate requests certified, commit? [y/n]y     
Write out database with 1 new entries      
Data Base Updated      
[root@localhost CA]# ls /etc/httpd/ssl      #证书已签署，自建CA到这里就成功了
httpd.crt  httpd.csr  httpd.key

发送给请求者

之后，只要把签署的证书发回给申请者就行了！