非对称加密和证书总结

allen

5年前

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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

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：

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。

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。

二、可逆加密

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：

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）。

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

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
chmod 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.
This private key will be ignored.
Load key "/home/tlanyan/.ssh/id_rsa": bad permissions
Permission denied (publickey,gssapi-keyex,gssapi-with-mic).

私钥和公钥的作用一般分为两种：

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。

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。

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.me服务器通信，浏览器怎么知道对方就是tlanyan.me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.me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。

CURL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：

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。

以上想法出自个人猜测。

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

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。

keystore、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。

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。

OpenSSL

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
    o  Public key cryptographic operations
    o  Creation of X.509 certificates, CSRs and CRLs
    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
    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
echo tlanyan | md5sum

aes加解密：

# 用法
# openssl aes-128-cbc -e -in 加密文件 -out 解密文件 -pass pass:密码
# 例如
echo tlanyan > input
openssl aes-128-cbc -e -in input -out output -pass pass:1234567890abcdef
# 加密的内容在output中
# 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
# 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
openssl 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
# 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
# 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
openssl req -in tlanyan.csr -verify
# 校验证书
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
openssl 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

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！