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非对称加密与安全证书看这一篇就懂了

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。

作者:佚名来源:开源中国|2018-07-02 10:53

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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,加密方式可归结为不可逆加密与可逆加密。

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不同的原文,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(安全散列)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,所以可确认信息就是由对方发出。

可逆加密

哈希算法可保证通信中的数据不被篡改,而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:

  1. # 放开私钥权限  
  2. chmod 644 ~/.ssh/id_ras  
  3. # 连接服务器  
  4. ssh server  
  5. # openssh 客户端出现如下报错:  
  6. Permissions 0644 for '/home/tlanyan/.ssh/id_rsa' are too open 
  7. It is required that your private key files are NOT accessible by others.  
  8. This private key will be ignored.  
  9. Load key "/home/tlanyan/.ssh/id_rsa": bad permissions  
  10. 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;
  • 私钥加密(签名),公钥解密(验证),主要用于数字签名。

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( Certificate Authority, CA)收到 tlanyan.me 持有者的证书请求并核验信息后,将持有者的名称、公钥 与 CA 用 私钥生成的数字签名 等信息写成证书颁发给申请者。

用户与服务器通信时,服务器收到请求后将证书发给浏览器,浏览器对证书进行检查(是否过期,能否用 CA 的公钥验证签名等),并向第三方询问是否为真(是否被吊销等),确认无误后,就可以放心地通信了。

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对证书进行校验,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,如下图所示:

CURL 等第三方库一般不会对证书进行检查,那么与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(证书从官网、对方邮件等可信渠道获取),通信时校验服务端发来的证书与本地预存的是否一致。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,客户端应对这种情况进行处理,例如打印警告或中断通信。

而在校验一致的情形下,客户端用证书的公钥加密信息发往服务端,如果对方是中间人,其没有通信方的私钥就无法解密信息,也会造成通信失败。所以在私钥不泄露的前提下,内置对方证书是解决中间人攻击的最有效办法,因为 CA 也有可能作假(参考 CNNIC),而浏览器需要与成千上万个网站通信,不可能所有站点证书都内置,所以使用 CA 比较合理。之前做微信支付的对接,不理解微信服务器证书的作用,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。证书颁发机构(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 和 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:访问遵循 PKCS#12 标准的 pfx 文件需要密码,遵循 X509 规范的 PEM 文件则可直接查看内容。

OpenSSL

OpenSSL 是通用的加密库,openssl 是基于它的命令行工具,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:

  1. The openssl program is a command line tool for using the various cryptography functions of 
  2.  
  3. OpenSSL's crypto library from the shell. It can be used for 
  4.  
  5.     o  Creation and management of private keys, public keys and parameters 
  6.  
  7.     o  Public key cryptographic operations 
  8.  
  9.     o  Creation of X.509 certificates, CSRs and CRLs 
  10.  
  11.     o  Calculation of Message Digests 
  12.  
  13.     o  Encryption and Decryption with Ciphers 
  14.  
  15.     o  SSL/TLS Client and Server Tests 
  16.  
  17.     o  Handling of S/MIME signed or encrypted mail 
  18.  
  19.     o  Time Stamp requests, generation and verification 

接下来看一些简单的 openssl 使用示例:

md5:

  1. echo tlanyan | openssl md5  
  2. ## 结果与下条命令相同  
  3. echo tlanyan | md5sum 

aes 加解密:

  1. # 用法  
  2. # openssl aes-128-cbc -e -in 加密文件 -out 解密文件 -pass pass:密码  
  3. # 例如  
  4. echo tlanyan > input  
  5. openssl aes-128-cbc -e -in input -out output -pass pass:1234567890abcdef  
  6. # 加密的内容在output中  
  7. # 解密  
  8. openssl aes-128-cbc -d -in output -o origin -pass pa:1234567890abcdef 

生成 CSR、签发证书:

  1. # 先生成csr和私钥  
  2. # 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  
  3. openssl req -new -out tlanyan.csr -newkey rsa:2048 -nodes -keyout tlanyan.priv.key  
  4. # 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  
  5. # csr的格式如下:  
  6. -----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----  
  7. # xxxx  
  8. -----END CERTIFICATE REQUEST-----  
  9. # 密钥文件的格式类似  
  10. # 有了csr,接下来为自己签发证书  
  11. openssl req -x509 -sha256 -nodes -days 365 -in tlanyan.csr -key tlanyan.priv.key -out tlanyan.crt  
  12. # 命令结束后,目录中出现tlanyan.crt的证书文件  
  13. # 校验密钥  
  14. openssl rsa -in tlanyan.priv.key --check  
  15. # 校验csr  
  16. openssl req -in tlanyan.csr -verify  
  17. # 校验证书  
  18. openssl x509 -in tlany.**crt -text -n**ooutPEM 

转换各种不同格式的证书:

  1. # 将pem格式转换成pfx/p12格式  
  2. openssl pkcs12 -export -out tlanyan.pfx -inkey tlanyan.priv.key -in tlaPEMn.crt  
  3. # 将pfx格式转换成pem格式  
  4. openssl pkcs12 -in tlanyan.pfx -out tlanyan.cer -nodes  
  5. # 生成的tlanyan.cer文件包含了证书和公钥,对应导入前的tlanyan.crt和tnPEM . pri v.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。

以上演示的只是 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 命令的一些基本用法,希望能够帮助到对这方面内容有疑惑的读者。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。

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