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Monday, 7 March 2016

加密、解密以及 openssl

安全的目标

信息加密是为信息安全服务的，信息作为一种有价值的资产，需要保护，免受攻击。
为了保证信息的安全，通常需要实现三个安全目标：机密性、完整性和可用性。
机密性
机密性是指保护信息的机密性，阻止非法访问。
通常有两种攻击威胁到信息的机密性：嗅探和流量分析。因此信息需要以某种方式加密，这样即使信息泄漏，非授权的用户也无法获得信息的内容。
完整性
完整性的是指保护信息被他人非法篡改，接收者应该能以某种方式验证信息的完整性。
数据的完整性会收到多种攻击的威胁：修改、假冒、回放 等。修改和假冒是指攻击者非法修改原始的信息或伪造信息。回放是指攻击者得到用户发送的消息的副本，过后设法回放它。
可用性
可用性是指信息对授权用户和应用程序应该是可用的。
对可用性的攻击最著名的就是拒绝服务（DOS）攻击，攻击者攻击服务器使其资源耗尽而无法对外服务。

加密算法

信息加密在计算机的发明之前就已经被广泛使用了。例如，在第二次世界大战时纳粹德国使用 Enigma 的密码机来对信息加密。但盟军的密码学家们还是成功破译了这种机器加密的信息。使用这种信息加密方法，一旦加密的算法被破译，那么信息安全性就被攻破了。

对称加密

为了解决算法被破解的问题，密码学上有著名的柯克霍夫原则：即使密码系统的任何细节已为人悉知，只要密钥未泄漏，它也应是安全的。
上图显示了对称密钥加密的基本思想，爱丽丝通过一个不安全的信道向博比发送一则消息，假设一个攻击者伊夫在信道上偷听，但她也不能理解消息的内容。
对称密钥密码对加密和解密使用同一个密钥。此外，加密算法和解密算法互为相反，即使算法是公开的，只有没有密钥，也无法从密文解密出明文。需要保密的唯一东西就是密钥。这意味着爱丽丝和博比需要另外一个（安全的）信道来交换密钥。爱丽丝和博比可能会面对面亲自交换密钥。
在计算机世界，对称加密的密钥交换手段常用的有 Diffie Hellman密钥交换算法，或者使用非对称加密来交换密钥。常见的对称加密算法有 DES（密钥太短，容易被破解），AES，3DES，Blowfish，twofish 等。
对称加密的一个问题是，通信者需要对每一个通信维护一个密钥，且通信双方在密钥交换时无法验证对方身份的真实性。

非对称加密

上图显示了非对称加密技术的总体思想。在非对称加密中有不同的密钥：私钥（private key）和公钥（public key）。使用公钥加密的数据只能由对应的私钥解密。在这里博比创建了两个密钥：一个私钥和一个公钥。他负责把公钥分发出去，此信道不需要保证安全，但它必须提供身份验证和数据完整性。
非对称加密中，通信中的每个个体应该创建自己的私钥和公钥。上图中爱丽丝使用博比的公钥，发送加密信息给博比。如果博比需要回应，那么爱丽丝就需要建立她自己的私钥和公钥。
非对称加密中，博比只需要一个私钥就能从任何人那里接收加密的信息。但爱丽丝需要 n 个公钥与 n 个人进行通信，一人一个公钥。
最常用的非对称加密算法是 RSA 算法。
由于非对称加密的速度非常慢，因此非对称加密很少用于数据的传输，一般将其用于对称密钥的安全传输，传输密钥后再使用对称加密进行数据通信。
数字签名
非对称加密的另一个用途是用于数字签名，签署者使用他的私钥（应用一个签名算法）来签署文档。验证者使用签署者的公钥（公开的）验证文档。当一个文档被签署时，任何人都能验证它，因为任何人都能访问签署者的公钥。由于私钥的保密性，签名是无法伪造的。

单向散列算法

单向散列算法也称 Hash（哈希）算法，是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度（消息摘要）的函数，该过程是不可逆的，即不可能通过散列加密后的的结果逆向得出原始的信息。
Hash 函数有下面的特性：
  1. 输入一样，输出必然相同
  2. 输入的微小改变，会造成结果的巨大变化
  3. 无法根据特征码还原原来的数据
  4. 定场输出
常见的散列加密算法有 MD1，MD5，SHA1，SHA512，CRC-32 等。
单向加密通常用于验证数据的完整性，在数据发送之前，对数据进行单向加密得出特征码，然后接受者再次对接收的数据使用同样的单向加密，如果得到的特征码相同，则说明数据是完整的。
但是单纯的使用单向加密，无法保证数据被篡改，因此还需要借助其他加密算法（如数字签名）。

SSL/TLS

加密技术被广泛用于 HTTP 互联网通信中，由于原始的 HTTP 协议并没有任何加密的功能，为了保证某些敏感数据的数据安全，在 HTTP 协议之上引入了 SSL/TLS 层，称为 HTTPs，用于数据的加密传输。
客户端和主机进行 HTTP 通信之前，先建立 SSL/TLS 连接，加密通信的数据。
  1. 服务端和客户端建立连接，进行加密算法协商
  2. 服务端预先生成一对密钥，并向客户端发送其公钥
  3. 客户端生成一个对称密钥，并使用服务端的公钥加密这个密钥，发送至服务端
  4. 服务端使用自己的私钥解密出对称密钥，然后双方的 SSL 连接建立成功
  5. 之后的通信数据都使用对称加密的方式进行加密。

CA

在 SSL/TLS 连接建立之前，客户端和服务端可能是没有通信过的，那么服务端发送的公钥的合法性就无法保证，因此引入了一个第三方机构 CA（Certificate Authority），服务端发送的公钥前，必须向 CA 发出申请，由 CA 对服务器的公钥等信息进行数字签名，生成证书。客户端使用 CA 的公钥可以对服务端的证书进行验证，且 CA 的公钥证书通常是内置在操作系统和浏览器中的。
常用的证书格式是 x509 格式，它包含有下面的信息：
  • 版本号（version）
  • 序列号（serial number），CA 用于唯一标志此证书
  • 签名算法标志（signatur algotithm ientifier）
  • 发行者的名称，即 CA 自己的名称
  • 有效期，起始日期和终止日期
  • 整数主题明还曾，整数拥有者自己的公钥
  • 发行商的唯一标识
  • 整数主题的唯一标志
  • 扩展信息
  • 签名：CA 对此证书的数字签名
可以在浏览器中查看使用了 HTTPs 协议的网站的证书的信息：

CRL

如果 CA 颁发给了某客户一个证书而此客户进行了违规操作，或客户的私钥被窃取了，那么 CA 需要吊销此颁发出去的证书。CRL 指的就是证书吊销列表。因此客户端在接收到服务端证书后，需要先去获取最新的 CRL 文件，查看服务器的证书是否已经被吊销，如果已被吊销则此证书不能信任。
下图是浏览器中对证书吊销的验证设置：

由于 CRL 文件需要下载，另一个替代的方案是 OSCP(Online Certificate Status Protocol)，可以直接使用此协议请求查看某证书是否已被吊销。

PKI

PKI 的全称是 Public Key Infrastructure，它包含了用于申请整数的 RA（Registratoin Authority），用于颁发证书的 CA，以及验证证书合法性的 VA（Validation Authority）等等。通过这系列的机构和组织来管理，使用，分发和存取数字证书，保证信息的安全。

OpenSSL

OpenSSL 是一个开源组织，它发布了可以运行于 Linux/Unix 上的，用于 SSL/TLS和各种加密算法的开源实现的软件。
openssl 主要包含三个组件：
  1. libcrypto：通用加密库
  2. libssl：TLS/SSL 的实现
  3. openssl 命令行工具
openssl 是一个强大的命令行工具，它可以实现对称加密/解密，非对称密钥的生成，单向加密提取特征码，对密码单向加密，生成随机数等等功能。
进行对称加密
例如，对 /etc/issue 使用 3des 加密，存放于 /tmp 目录中
# openssl enc -e -des3 -a -salt -in /etc/issue -out /tmp/issue
输入密码后，即可对文件加密。解密方法：
# openssl enc -d -des3 -a -salt -in /tmp/issue -out /tmp/issue.new
提取特征码
提取特征码使用 dgst 子命令：
# openssl dgst -md5|-sha1 /PATH/TO/FILE
-md5 和 -sha1 表示单向加密算法。
生成随机数
# openssl rand -base64|-hex ###
-base64 和 -hex 可以将随机数转换为字符格式显示。
生成非对称密钥
生成 RSA 私钥对：
# (umask 077; openssl genrsa -out /PATH/TO/KEYFILE NUMBITS)
这里可以指定密钥文件路径和密钥位数，位数通常为 1024，2048，4096 位。
从私钥中提取公钥：
# openssl rsa -in /PATH/TO/KEYFILE -pubout

openssl 实现私有 CA

私有 CA 先要生产 CA 自己的证书，CA 证书的路径在 /etc/pki/tls/openssl.conf 中配置， 在 [ CA_default ] 选项下
dir            =  /etc/pki/CA
                            #工作目录
certs          =  $dir/certs
                            #客户端证书保存目录
crl_dir        =  $dir/crl
                            #证书吊销列表的位置
database       =  $dir/index.txt
                            #证书发证记录数据库
new_certs_dir  =  $dir/newcerts
                            #新生成证书存放目录
certificate    =  $dir/cacert.pem
                            #CA的证书文件
serial         =  $dir/serial
                            #签发证书的序列号，一般从01开始
crlnumber      =  $dir/crlnumber
                            #帧数吊销列表的序列号
crl            =  $dir/crl.pem
                            #证书吊销列表文件
private_key    =  $dir/private/cakey.pem
                            #CA的私钥文件
RANDFILE       =  $dir/private/.rand
                            #随机数生产文件，会自动创建
default_days   = 365
                            #默认签发有效期
建立私有 CA
1.创建 CA 的私钥
# (umask 077; openssl genrsa -out /etc/pki/CA/private/cakey.pem 2048)
2.生成自签署证书
# openssl req -new -x509 -key /etc/pki/CA/private/cakey.pem -out /etc/pki/CA/cacert.pem
这里指定了证书的格式为 x509 格式，因此需要填入 CA 机构自己的相关信息。以后此 CA 签署证书时，证书的信息必须和 CA 证书中的信息相对应。
3.创建需要的目录，序列号和数据库文件
# mkdir -pv /etc/pki/CA/{certs,newcerts,crl}
# touch /etc/pki/CA/{index.txt,serial}
# echo 01 > /etc/pki/CA/serial
生成一个 httpd 的证书并由私有 CA 签署
1.创建 httpd 使用的私钥
# (umask 077; openssl genrsa -out httpd.key 1024 )
2.创建整数请求文件
# openssl req -new -key httpd.key -out httpd.csr
3.将证书签名请求文件发送给 CA 签署（这里 CA 其实就是本机）
# openssl ca -in httpd.csr -out httpd.crt -days 365
对于RHEL系列的系统，系统会提供一个 Makefile 文件，可以使用 make命令快速的生成测试使用的私钥，证书，证书申请文件
Makefile 文件位置： /etc/pki/tls/certs/Makefile，文件会根据后缀名自动判断生成什么类型的文件，进入/etc/pki/tls/certs/Makefile 目录，执行 make FILE.EXT 即可。
查看帮助
# make usage
创建一个私钥
# make test.key
这里默认是要密码的，因为其使用了 openssl genrsa -aes128 2048 这样的语句，可以打开 Makefile 文件将 -aes128 选项删除，生成私钥时就不需要密码了。
生成证书请求文件
# make test.csr
生成自签署证书
# make test.crt
创建一个包含私钥的自签证书
# make test.pem
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