加解密基础及openssl命令

加密算法和协议:

1. 对称加密：
   。加解密使用同一个密钥；将数据分割成固定大小的块，逐块加密；且块与块之间有关联关系；
   。算法：DES,3DES,AES,Blowfish,Twofish,IDEA,RC6,CAST5
   。缺陷：密钥过多；密钥分发成为难题；

2.公钥加密：
。密钥分为公钥和私钥；
。公钥：从私钥中提取产生；可公开给所有人；pubkey
。私钥：通过工具创建，使用者自己保留，必须保证其私密性；secret key
。用公钥加密的数据，只能用与之配对的私钥解密；私钥加密的数据，只能用与之配对的公钥解密；
。用途：
（1）数字签名：确认发送方的身份；
（2）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；
。算法：RSA,DSA,ELGamal

3.单向加密：
。提取数据指纹；只能加密，不能解密；
。定长输出；雪崩效应
。作用：数据完整性验证；
。算法：md5(128bits),sha1(160bits),sha224,sha256,sha384,sha512

4.密钥交换：
（1）公钥加密：
（2）DH算法(Deffie-Hellman):

DH算法：
A与B要交换密钥：
A-->p,g;B-->p,g(p,g为大素数)
A-->x;B-->y
A:p^{x%g－－>B＝＝>(p}x%g)^y
B:p^{y%g－－>A＝＝>(p}y%g)^x
密钥：(p^x%g)y=(p^y%g)x

Bob和Alice安全通信过程：

。加密：
（1）A生成数据，用单向加密提取数据特征码；
（2）用A的私钥加密特征码(加密后的特征码就叫做数字签名)；
（3）A生成临时对称加密钥，加密数据及特征码；
（4）获取B的公钥加密临时对称密钥；并附加在最后面；

。解密：
（1）B用自己的私钥解密对称密钥；并用它来解密获得数据和特征码；（保密性）
（2）用A的公钥解密特征码；能解密，身份认证；
（3）B用同样的单向加密算法提取数据特征码；并对比解密后的特征码；如相同，数据完整性验证；

上述过程中，存在巨大问题：如何可靠的获取对方的公钥？

PKI(Public Key Infrastructure)

• 公钥基础设施：
  。签证机构：CA
  。注册机构：RA
  。证书吊销列表：CRL
  。证书存取库：

• x509V3定义了证书的结构和认证协议标准：
  。协议版本号：v1；v2；v3
  。序列号：证书的编号；
  。签名算法ID：
  。发行者的名称：CA的名字
  。证书有效期：
  。主体名称：
  。主体公钥：
  。发行者的唯一标识：
  。主体的唯一标识：
  。扩展信息：
  。发行者的签名：

• 协议：

（1）SSL：Secure Socket Layer
。NetScape公司研发；版本：v1/2/3

（2）TLS：Transport Layer Security
。IETF研发；版本：v1.0/1.1/1.2/1.3

• ssl,tls的开源实现：openssl

SSL Handshake Protocol

• 第一阶段：
  Client Hello：要进行加密通信
  。支持的协议版本；tls1.1,tls1.2...
  。客户端生成一个随机数，用于稍后生成“对称密钥”；
  。支持的加密算法；比如：AES,RSA...
  。支持的压缩算法；

• 第二阶段：
  Server Hello:
  。确定使用的加密通信协议版本；
  。服务器生成一个随机数，用于稍后生成“对称密钥”；
  。确定使用的加密算法
  。发送自己的证书（CA颁发的公钥文件）

• 第三阶段：
  Client:
  。验证Server证书（发证机构，证书完整性，证书持有者，证书有效期，吊销列表）；在确认无误后提取Server的公钥；

发送以下信息给Server：
。发送一个随机数给Server；
。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：
  Server:
  。接受到客户端发来的第三个随机数(pre-master-key)后，计算生成“对称密钥”；

发送以下信息给Clinet：
。编码变更通知；
。服务器握手结束通知；

openssl：

• 组件：libcrypto,libssl,openssl

• openssl多用途命令行工具：
  有众多自命令；分三类：
  。标准命令；
  。消息摘要命令（dgst子命令）
  。加密命令：enc，ca，req，genrsa...

• 对称加密：
  。工具：openssl enc
  。支持的算法：3des，aes，blowfish，twofish...
  。加密：openssl enc -e -des3 -a -salt -in /path/from/somefile -out /path/to/somefile
  。解密：openssl enc -d -des3 -a -salt -out /path/to/somefile -in /path/to/somefile

• 单向加密：
  。工具：openssl dgst {md5sum,sha1sum,sha512sum...}
  openssl dgst -md5 /path/from/somefile
  。生成用户密码：openssl passwd
  openssl passwd -1 -salt RANDOM
  。生成随机数：
  工具：openssl rand
  openssl rand -hex NUM
openssl rand -base64 NUM

注意：生成用户密码可简写为：openssl passwd -1 -salt $(openssl rand -hex 4)
。linux系统上的随机数生成器：
/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；（伪随机数，不安全）
熵池中随机数的来源：
（1）硬盘IO中断时间间隔
（2）键盘IO中断时间间隔

• 公钥加密：
  作用：
  1.加解密；算法：RSA,ELGamal;工具:openssl rsautl
  2.数字签名：算法：RSA,ELGamal;工具:openssl rsautl
  3.密钥交换：DH算法

  。生成私钥：
  (umask 077;openssl genrsa -out /path/to/somefile 1024) ##此处 的数字1024为2^n;
  。提取公钥：
  openssl rsa -in /path/to/私钥文件 －pubout -out xxx.pub

建立私有CA：

。工具：openssl
。openssl配置文件：/etc/pki/tls/openssl.cnf

vim /etc/pki/tls/openssl.cnf
[ ca ]
default_ca  = CA_default        # The default ca section

####################################################################
[ CA_default ]

dir     = /etc/pki/CA       # Where everything is kept ##工作目录
certs       = $dir/certs        # Where the issued certs are kept ##已经签发的证书存放的目录
crl_dir     = $dir/crl      # Where the issued crl are kept##吊销的证书位置
database    = $dir/index.txt    # database index file.##数据库；已经颁发的所有证书列表
#unique_subject = no            # Set to 'no' to allow creation of
                    # several ctificates with same subject.
new_certs_dir   = $dir/newcerts     # default place for new certs.

certificate = $dir/cacert.pem   # The CA certificate##CA自签证书
serial      = $dir/serial       # The current serial number##证书序列号
crlnumber   = $dir/crlnumber    # the current crl number
                    # must be commented out to leave a V1 CRL
crl     = $dir/crl.pem      # The current CRL
private_key = $dir/private/cakey.pem# The private key ##CA的私钥
RANDFILE    = $dir/private/.rand    # private random number file

x509_extensions = usr_cert      # The extentions to add to the cert

default_days    = 365           # how long to certify for##证书有效期
default_crl_days= 30            # how long before next CRL
default_md  = sha256        # use SHA-256 by defaultxxx
preserve    = no            # keep passed DN ordering

• 在准备配置为CA的服务器上生成一个自签证书；并为CA提供需要的目录及文件；

1.生成私钥：
(umask 077;openssl genrsa -out /etc/pki/CA/private/cakey.pem 4096)

2.生成自签证书：

[root@localhost ~]# openssl req -x509 -new -key /etc/pki/CA/private/cakey.pem -out /etc/pki/CA/cacert.pem -days 3655
//-new:生成新证书
//-x509:生成自签证书；CA服务器专用
//-key:指明私钥文件的路径
//-out:生成的请求文件路径；如果自签将直接生成签署过的证书

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]:ops
Organizational Unit Name (eg, section) []:magedu
Common Name (eg, your name or your server's hostname) []:www.magedu.com
Email Address []:acadmin.magedu.com

3.为CA提供所需的目录及文件：
mkdir /etc/pki/CA/{certs,crl,newcerts}
touch /etc/pki/CA/{serial,index.txt}
echo 01 > /etc/pki/CA/serial

要用到证书进行安全通信的主机，要向CA服务器请求签署证书：

以http服务为例：
（1）要用到证书的主机生成私钥：
mkidr /etc/httpd/ssl
cd /etc/httpd/ssl;(umask 077;openssl genrsa -out httpd.key 2048)
（2）生成证书签署请求：
openssl req -new -key /etc/httpd/ssl/httpd.key -out httpd.csr -days 365
（3）将httpd.csr通过有效途径发送给CA服务器（scp）
（4）在CA服务器上签署证书：
openssl ca -in xxx/httpd.csr -out /etc/pki/CA/certs/httpd.crt -days 365
（5）将httpd.crt通过有效途径发送给请求证书的主机：
scp httpd.crt root@172.16.18.130:/etc/httpd/ssl

• 查看证书信息：
  cd /etc/pki/CA/certs/;openssl x509 -in httpd.crt -noout -serial -subject serial=01 subject= /C=cn/ST=shanghai/O=magedu/OU=ops/CN=www.magedu.com/emailAddress=webadmin@magedu.com