OpenSSL原理与实现

1. 概念

1.1. SSL（Secure Sockets Layer安全层套接字）/TLS（Transport Layer Security传输层套接字）。

　　最常见的应用是在网站安全方面，用于http数据传输的加密。

1.2. 安全的目标：保密性（confidentiality），完整性（integrity），可用性（availability）

1.3. 攻击的类型：

　　　　威胁保密性的攻击：窃听、通信量分析；
　　　　威胁完整性的攻击：更改、伪装、重放、否认
　　　　威胁可用性的攻击：拒绝服务（DoS）

1.4. 解决方案：技术（加密和解密）、服务（用于抵御攻击的服务，也即是为了上述安全目标而特地设计的安全服务）

　　加密和解密：
　　　　传统加密方法：替代加密方法、置换加密方法
　　　　现代加密方法：现代块加密方法

　　服务：
　　　　认证机制
　　　　访问控制机制

1.5. 在linux系统上的实现：OpenSSL(ssl)， GPG(pgp)

1.6. 加密算法和协议：

1.6.1. 对称加密：加密和解密使用同一个密钥；
　　　　　　DES：Data Encryption Standard;
　　　　　　3DES：Triple DES;
　　　　　　AES：Advanced Encryption Standard; (128bits, 192bits, 256bits, 384bits)
　　　　　　Blowfish
　　　　　　Twofish
　　　　　　IDEA
　　　　　　RC6
　　　　　　CAST5

　　特性：
　　　　加密、解密使用同一个密钥；
　　　　将原始数据分割成为固定大小的块，逐个进行加密；

　　缺陷：
　　　　密钥过多；
　　　　密钥分发困难；

1.6.2. 公钥加密：密钥分为公钥与私钥
　　　　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，使用者自己留存，必须保证其私密性；secret key；
　　　　特点：用公钥加密的数据，只能使用与之配对儿的私钥解密；反之亦然；
　　　　用途：
　　　　　　数字签名：主要在于让接收方确认发送方的身份；
　　　　　　密钥交换：发送方用对方公钥加密一个对称密钥，并发送给对方；
　　　　　　数据加密

　　　　算法：RSA， DSA， ELGamal
　　　　　　DSS: Digital Signature Standard
　　　　　　DSA：Digital Signature Algorithm

1.6.3. 单向加密：即提出数据指纹；只能加密，不能解密；
　　　　特性：定长输出、雪崩效应；
　　　　功能：完整性；
　　　　算法：
　　　　　　md5：Message Digest 5, 128bits
　　　　　　sha1：Secure Hash Algorithm 1, 160bits
　　　　　　sha224, sha256, sha384, sha512

1.6.4. 密钥交换： IKE（Internet Key Exchange）
　　　　公钥加密算法：RSA

　　　　DH（Deffie-Hellman），ECDH（椭圆曲线DH），ECDHE（临时椭圆曲线DH）

1.7. 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：

　　X.509v3：定义了证书的结构以及认证协议标准
　　　　版本号
　　　　序列号
　　　　签名算法ID
　　　　发行者名称
　　　　有效期限
　　　　主体名称
　　　　主体公钥
　　　　发行者的惟一标识
　　　　主体的惟一标识
　　　　扩展
　　　　发行者的签名

1.8. 设计模式：分层设计

　　　　最底层：基础算法原语的实现，aes, rsa, md5
　　　　向上一层：各种算法的实现；
　　　　再向上一层：组合算法实现的半成品；
　　　　用各种组件拼装而成的各种成品密码学协议软件；

2. 传输过程：

2.1 SSL会话主要三步：
　　　　客户端向服务器端索要并验正证书；
　　　　双方协商生成“会话密钥”；
　　　　双方采用“会话密钥”进行加密通信；

2.2. SSL Handshake Protocol：

　　第一阶段：ClientHello：
　　　　支持的协议版本，比如tls 1.2；
　　　　客户端生成一个随机数，稍后用户生成“会话密钥”
　　　　支持的加密算法，比如AES、3DES、RSA；
　　　　支持的压缩算法；

　　第二阶段：ServerHello
　　　　确认使用的加密通信协议版本，比如tls 1.2；
　　　　服务器端生成一个随机数，稍后用于生成“会话密钥”
　　　　确认使用的加密方法；
　　　　服务器证书；

　　第三阶段：
　　　　验正服务器证书，在确认无误后取出其公钥；（发证机构、证书完整性、证书持有者、证书有效期、吊销列表）
　　　　发送以下信息给服务器端：
　　　　　　一个随机数；
　　　　　　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：
　　　　收到客户端发来的第三个随机数pre-master-key后，计算生成本次会话所有到的“会话密钥”；
　　　　向客户端发送如下信息：
　　　　　　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；
　　　　　　服务端握手结束通知；

3. OpenSSL

3.1. 组件：libcrypto, libssl（主要由开发者使用），openssl（多用途命令行工具）

3.2. opensll命令：

　　从多子命令，分为三类：
　　　　标准命令
　　　　消息摘要命令（dgst子命令）
　　　　加密命令（enc子命令）

　　标准命令： enc, ca, req, genrsa, ...

3.2.1. 对称加密：
　　　　工具：openssl enc, gpg
　　　　支持的算法：3des, aes, blowfish, towfish

　　　　enc命令：
　　　　　　加密：~]# openssl enc -e -des3 -a -salt -in fstab -out fstab.ciphertext
　　　　　　解密：~]# openssl enc -d -des3 -a -salt -out fstab -in fstab.ciphertext

3.2.2. 单向加密：
　　　　工具：openssl dgst, md5sum, sha1sum, sha224sum, ...

　　　　dgst命令：
　　　　　　~]# openssl dgst -md5 /PATH/TO/SOMEFILE

3.2.3. 生成用户密码：
　　　　工具：passwd, openssl passwd

　　　　　　~]# openssl passwd -1 -salt SALT

3.2.4. 生成随机数：
　　　　工具：openssl rand

　　　　　　~]# openssl rand -hex NUM
　　　　　　~]# openssl rand -base NUM

3.2.5. 公钥加密：
　　　　加密解密：
　　　　　　算法：RSA，ELGamal
　　　　　　工具：openssl rsautl, gpg
　　　　数字签名：
　　　　　　算法：RSA， DSA， ELGamal
　　　　　　工具：
　　　　密钥交换：
　　　　　　算法：DH

3.2.6. 生成密钥：
　　　　生成私钥： ~]# (umask 077; openssl genrsa -out /PATH/TO/PRIVATE_KEY_FILE NUM_BITS)
　　　　提出公钥： ~]# openssl rsa -in /PATH/FROM/PRIVATE_KEY_FILE -pubout

4. CA：公共信任的CA，私有CA；

4.1. 公共CA：买买买
4.2. 建立私有CA工具：openssl/OpenCA

4.2.1. openssl命令：

配置文件：/etc/pki/tls/openssl.cnf

4.2.1.1. 构建私有CA:
　　在确定配置为CA的服务上生成一个自签证书，并为CA提供所需要的目录及文件即可；

　　步骤：
　　　　(1) 生成私钥；
　　　　　　~]# (umask 077; openssl genrsa -out /etc/pki/CA/private/cakey.pem 4096)
　　　　(2) 生成自签证书；
　　　　　　~]# openssl req -new -x509 -key /etc/pki/CA/private/cakey.pem -out /etc/pki/CA/cacert.pem -days 3655
　　　　　　　　-new：生成新证书签署请求；
　　　　　　　　-x509：生成自签格式证书，专用于创建私有CA时；
　　　　　　　　-key：生成请求时用到的私有文件路径；
　　　　　　　　-out：生成的请求文件路径；如果自签操作将直接生成签署过的证书；
　　　　　　　　-days：证书的有效时长，单位是day；
　　　　(3) 为CA提供所需的目录及文件；
　　　　　　　　~]# mkdir -pv /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服务器，需要向CA请求签署证书：

　　步骤：（以httpd为例）
　　　　(1) 用到证书的主机生成私钥；
　　　　　　~]# mkdir /etc/httpd/ssl
　　　　　　~]# cd /etc/httpd/ssl
　　　　　　~]# (umask 077; openssl genrsa -out /etc/httpd/ssl/httpd.key 2048)
　　　　(2) 生成证书签署请求
　　　　　　~]# openssl req -new -key /etc/httpd/ssl/httpd.key -out /etc/httpd/ssl/httpd.csr -days 365
　　　　(3) 将请求通过可靠方式发送给CA主机；

　　　　(4) 在CA主机上签署证书；
　　　　　　~]# openssl ca -in /tmp/httpd.csr -out /etc/pki/CA/certs/httpd.crt -days 365

　　　　　　查看证书中的信息：
　　　　　　　　~]# openssl x509 -in /etc/pki/CA/certs/httpd.crt -noout -serial -subject

4.2.1.2. 吊销证书：
　　步骤：
　　　　(1) 客户端获取要吊销的证书的serial（在使用证书的主机执行）：
　　　　　　~]# openssl x509 -in /etc/pki/CA/certs/httpd.crt -noout -serial -subject
　　　　(2) CA主机吊销证书
　　　　　　先根据客户提交的serial和subject信息，对比其与本机数据库index.txt中存储的是否一致；

　　　　吊销：
　　　　　　# openssl ca -revoke /etc/pki/CA/newcerts/SERIAL.pem
　　　　　　其中的SERIAL要换成证书真正的序列号；

　　　　(3) 生成吊销证书的吊销编号（第一次吊销证书时执行）
　　　　　　# echo 01 > /etc/pki/CA/crlnumber

　　　　(4) 更新证书吊销列表
　　　　　　# openssl ca -gencrl -out thisca.crl

　　　　　　查看crl文件：
　　　　　　　　# openssl crl -in /PATH/FROM/CRL_FILE.crl -noout -text