加密、解密原理和openssl自建CA過程詳解

一、加密和解密相關知識簡介

1、信息安全標準

NIST（National Institute of Standards and Technology）美國國家標準與技術研究院，制定了網絡信息安全與保密的三個要素：（這三大要素被簡稱為：CIA）

  • 保密性(confidentiality)：信息不泄露給非授權用戶、實體或過程，或供其利用的特性。（一般包括數據保密性、隱私性。）
  • 完整性(Integrity)：數據未經授權不能進行改變的特性。即信息在存儲或傳輸過程中保持不被修改、不被破壞和丟失的特性。（一般包括數據完整性、系統完整性。）
  • 可用性(Availability)：可被授權實體訪問并按需求使用的特性。即當需要時能否存取所需的信息。例如網絡環境下拒絕服務、破壞網絡和有關系統的正常運行等都屬于對可用性的攻擊；

盡管三要素能保證網絡信息安全和保密，但從很多從事網絡安全的研究人員的反饋發現，除了CIA外，還有另外兩個標準也被經常提醒：

  • 真實性：一個實體是真實的，是可被驗證的。要確保數據發送方的確是它所聲稱的那個人。
  • 可追溯性：一旦受到攻擊，能追溯攻擊發生的原處在什么地方。

2、OSI組織定義的安全框架x.800

安全攻擊：

  • 被動攻擊：竊聽、（常見報文捕獲、監聽流量）
  • 主動攻擊：偽裝、重播、消息修改、拒絕服務

安全機制：

  • 加密、數字簽名、訪問控制、數據完整性、認證交換、流量填充、路由控制、公證

安全服務：

  • 認證 ：同等實體認證
  • 訪問控制
  • 數據保密性：連接保密性、無連接保密性、選擇域保密性、流量保密性
  • 數據完整性 ：不允許插入、刪除、修改、重播
  • 不可否認性

3、加密方式和算法

(1)、對稱加密

對稱加密：采用單鑰密碼系統的加密方法，同一個密鑰可以同時用作信息的加密和解密。
對稱加密的算法：

DES : 數據加密標準（56位密鑰）
3DES
AES ：高級加密標準（128，192，256，384，512）
Blowfish
Twofish
IDEA
RC6
CAST5

對稱加密的特性：

  • 加密、解密使用同一口令；
  • 將明文分隔成固定大小的塊，逐個進行加密

對稱加密的缺陷：

  • 密鑰過多；
  • 密鑰傳輸；
    密鑰交換、身份驗正、數據完整性

(2)、公鑰加密

公鑰加密：由對應的一對唯一性密鑰（即公開密鑰和私有密鑰）組成的加密方法。

密鑰：public key, secret key （p/s）
公鑰是從私鑰中提取出來的。
公鑰加密，只能私鑰解密。私鑰加密，也只能公鑰解密。

常用加密算法：

RSA
DSA:只能用于身份驗證
EIGamal

(3)、單向加密

單向加密：不可逆的加密
單向加密特性：

  • 定長輸出: 無論原始數據是多大，結果大小都相同的
  • 雪崩效應: 輸入的微小改變，將會引起結果的巨大改變

單向加密算法：

MD5（128位）、SHA1、SHA256、SHA384、SHA512

二、加密和解密的過程和原理

首先問一個問題：

假設B與A通信，B向A發送報文，怎么才能保證B的報文安全、可靠地被A接收到，并且保證報文數據的完整性？

接下來圍繞著這個問題來說明一下。

加密和解密的過程和原理圖

加密解密過程和原理詳細說明：

1、發送端B

  • 為保證安全，要對報文加密。加密方法有三類：對稱加密、公鑰加密和單向加密。對稱加密不安全，單向加密是不可逆的，因而使用公鑰加密。

    問題：公鑰加密安全（一般為2048位），但是加密過程太慢了，不適用當前網絡需求，該怎么辦？

  • 為了解決上述問題，B可以用單向加密提取出報文的特征碼（特征碼能保證報文的數據完整性），再使用自身的私鑰對特征碼進行公鑰加密（特征碼數據小，對其進行公鑰加密速度快），并把加密后的特征碼附加到報文后。（使用私鑰加密是為了驗證身份）

    問題：這種方式能實現數據完整性和身份驗證的檢驗，但是卻缺失了報文的數據保密性，又該怎么辦？

  • 為了解決上述問題，B在把加密的特征碼附加到報文后，把特征碼和報文當做一個數據（假設為data），使用對稱加密算法對該數據(data)加密得出一個密碼，再把密碼附加到該數據(data)后。為了使得在傳輸過程中密碼不被其他人獲取或篡改，使用A的公鑰對密碼進行加密（只有A的私鑰能對其解密），把加密的密碼附加到數據data后，再這些數據一并發送給A。

2、接收端A

  • A接收到B傳來的報文，利用自身的私鑰對其解密，獲得密碼。因為只有A的私鑰能對B傳來的報文（使用A的公鑰加密密碼）解密，所以能防止其他人對該傳輸的報文進行解密而獲得其中的信息，保證了數據的保密性。
  • A利用獲得的密碼解密其中對稱加密的數據，獲得經過加密的特征碼和原報文。
  • A使用B的公鑰對該特征碼解密，能解密則說明該報文是B發送過來的，實現了身份驗證。（假設解密后的特征碼是fcode）
  • A使用同等單向加密算法對接收到的原報文提取其特征碼。使用該特征碼和解密后獲得的特征碼(fcode)做比較，如果一樣，則說明原報文的數據完整。

問題：以上這種方式能保證數據完整性、身份驗證和數據的保密性，在加密和解密的過程中都要用到對方的公鑰，如何在傳輸過程中安全可靠地獲得對方的公鑰就成了關鍵的一環，那該如何做呢？
答：安全可靠地獲取對方的公鑰靠CA(Certificate Authority )證書授權中心來實現。

因而接下來，我們來說說CA。

三、CA（證書授權中心）

1、CA證書標準：x.509

x.509: 定義了證書結構和認證協議標準；（基于公鑰和數字簽名）
用于：IP安全、TLS/SSL（傳輸層安全）和S/MIME（安全電子郵件通信）


x.509證書標準詳細說明：

（1）版本號（默認為1，如果有多個擴展，可能為3）
（2）證書序列號（是一個整數，在CA中唯一標識，表明發行了多少個證書）
（3）算法參數 （標志用了那種算法）
（4）發行者的名稱（CA自己的名字）
（5）有效期限
（6）主體名稱（證書擁有者名稱）(很關鍵！！！)（個人用戶使用的是個人用戶名，主機使用的必須是主機名而不是ip地址）
（7）公鑰（最重要）（公鑰由證書擁有者提供）
（8）發行者的ID（CA的唯一編號）
（9）主體的ID（CA生成的證書擁有者唯一編號）
（10）擴展
（11）CA的簽名（用于驗證CA的來源合法性）

CA是相對于發送方B和接收方A的第三方，是具有公信力的機構。

2、驗證數字證書的過程

B在發送之前獲得A的數字證書或A在接收之前獲得B的數字證書，都會去驗證該數字證書的真偽。
以B在發送之前獲得A的數字證書為例，說明驗證數字證書的過程：

  1. 要用對應給A發數字證書的那個CA的公鑰去解密CA的簽名，如果能解密，則說明A的數字證書確實是那個信任的CA所頒發的證書。
  1. 解密出一段特征碼，B再使用同樣的單向加密算法提取A的數字證書的特征碼，比較這兩個特征碼是否一樣，如果一樣，則表示獲得的A的數字證書是完整的。
  2. 此后，還要去驗證該數字證書中的持有者是不是A，如果驗證通過，才可以確定該數字證書確實是A的數字證書。
  3. 確認該數字證書的擁有者是A后，還要去查看該數字證書是否在有效期限內和是否在CA的數字證書吊銷列表中。

四、SSL層

1、SSL層

SSL(Secure Sockets Layer 安全套接層),及其繼任者傳輸層安全（Transport Layer Security，TLS）是為網絡通信提供安全及數據完整性的一種安全協議。
版本：sslv1, sslv2, sslv3

ssl是介于應用層和傳輸層之間的半層，一般被制作成公共共享庫，要想使用ssl就要調用ssl共享庫。

2、https通信過程

HTTPS（全稱：Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer），是以安全為目標的HTTP通道，簡單講是HTTP的安全版。即HTTP下加入SSL層，HTTPS的安全基礎是SSL。

以https為例，進一步說明如何依靠CA來可靠的獲得通信對方的公鑰


https的主要實現過程說明：

（1）在通信之前，服務器端通過加密算法生成一對密鑰，并把其公鑰發給CA申請數字證書
（2）CA審核后，結合服務端發來的相關信息生成數字證書，并把該數字證書發回給服務器端。
（3）客戶端和服務器端經tcp三次握手，建立初步連接。
（4）客戶端發送http報文請求并協商使用哪種加密算法。
（5）服務端響應報文并把自身的數字簽名發給服務端。
（6）客服端下載CA的公鑰，驗證其數字證書的擁有者是否是服務器端（這個過程可以得到服務器端的公鑰）。（一般是客戶端驗證服務端的身份，服務端不用驗證客戶端的身份。）
（7）如果驗證通過，客戶端生成一個隨機對稱密鑰，用該密鑰加密要發送的URL鏈接申請，再用服務器端的公鑰加密該密鑰
（8）客戶端把加密的密鑰和加密的URL鏈接一起發送到服務器。
（9）服務器端使用自身的私鑰解密，獲得一個對稱密鑰，再用該對稱密鑰解密經加密的URL鏈接，獲得URL鏈接申請。
（10）服務器端根據獲得的URL鏈接取得該鏈接的網頁內容，并用客戶端發來的對稱密鑰把該網頁內容加密后發給客戶端。
（11）客戶端收到加密的網頁內容，用自身的對稱密鑰解密，就能獲得網頁的內容了。
（12）TCP四次揮手，通信結束。

五、openssl自建CA過程詳解

OpenSSL是套開放源代碼的軟件庫包，實現了SSL與TLS協議。其主要庫是以C語言所寫成，實現了基本的加密功能。
OpenSSL可以運行在絕大多數類Unix操作系統上（包括Solaris，Linux，Mac OS X與各種版本的開放源代碼BSD操作系統），OpenVMS與Microsoft Windows。它也提供了一個移植版本，可以在IBM i（OS/400）上運作。
此軟件是以Eric Young以及Tim Hudson兩人所寫的SSLeay為基礎所發展的，SSLeay隨著兩人前往RSA公司任職而停止開發。
雖然此軟件是開放源代碼的，但其授權書條款與GPL有沖突之處，故GPL軟件使用OpenSSL時（如Wget）必須對OpenSSL給予例外。

openssl建立私有CA

openssl創建私有CA的過程：

前提：安裝openssl

# yum install openssl

1、建立CA服務器

（1）生成密鑰

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

命令解釋：

  • ( ) 表示將會在當前shell中新建一個子shell，將（）中的命令放到該子shell中執行，執行完畢后關閉子shell并回到當前shell。
    由于要對生成的cakey.pem文件設置合適權限，可使用umask修改文件的默認權限設置。為了不影響當前shell的默認權限設置，使用（）將這些命令放到子shell中執行就行了！
  • genrsa : 指定使用rsa算法生成私鑰
  • -out ：指定生成的私鑰的存放位置（注意：該存放位置是在配置文件中默認定義了的，路徑和文件名不能隨意修改！！！）
  • 2048 ：指定生成一個2048位的私鑰

（2）自簽證書

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

命令解釋：

  • req: 生成證書簽署請求
  • -news: 新請求
  • -x509: 專門用于生成自簽署證書
  • -key /path/to/keyfile: 指定私鑰文件（req命令能根據私鑰自動抽取出公鑰）
  • -out /path/to/somefile: （注意：路徑和文件名不用隨意修改！）
  • -days n: 有效天數（一般和-x509一起使用才有意義。）

（3）初始化工作環境

只有第一次創建CA時，才需要初始化工作環境

# touch /etc/pki/CA/{index.txt,serial}
# echo 01 > /etc/pki/CA/serial   （指定序列號從那個數字開始）

2、節點申請證書

(1) 節點生成請求

  • 生成密鑰對兒
# (umask 077; openssl genrsa -out /etc/httpd/ssl/httpd.key 2048)
  • 生成證書簽署請求
# openssl req -new -key /etc/httpd/ssl/httpd.key -out /etc/httpd/ssl/httpd.csr

.csr ：證書簽署請求，一般都是這樣的后綴


紅框中的信息，需要和CA自簽證書中填寫的保持一致，否則會出錯。

  • 把簽署請求文件發送給CA服務器

(2) CA簽署證書

  • 驗正證書中的信息
  • 簽署證書

格式：openssl ca -in /path/to/somefile.csr -out /path/to/somefile.crt -days N
說明：-in 指定證書簽署請求文件 ； -out CA根據請求文件生成的證書，一般為 .crt 后綴；N 指定證書生效時長，天為單位

[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      #國家名
            stateOrProvinceName       = GuangDong   #省份名   
            organizationName          = 51CTOblog   #公司名
            organizationalUnitName    = Ops         #部門名
            commonName                = www.hjqjk.com   #主機名   
            emailAddress              = hjqjk@163.com   #郵箱   
        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  #詢問是否簽署證書
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      #證書已簽署，自建CA到這里就成功了
httpd.crt  httpd.csr  httpd.key
  • 發送給請求者

之后，只要把簽署的證書發回給申請者就行了！

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