安全加密基础—基本概念、keytool、openssl_openssl keytool

前言

（1）本文不涉及源码、底层。只是讲解大概的密码演变过程和基本概念。能让接触到相关名词的人知道这些名词是干嘛的，为什么要有它。专业人士可以当作概念梳理，非专业人士可以当作科普。
（2）本文你将了解到的概念：明文通信、无密钥密文通信、对称加密、非对称加密、信息摘要、数字签名、CA与数字证书、https、常用的密钥扩展名。
（3）本文应用实践有：用java的Keytool生成密钥，keystore格式转pem，openssl生成私钥和证书。

一、概念

明文通信

不是私密的信息可以采用明文。

无密钥密文通信

对于私密数据，如何远距离传输并且在被其他人看到的情况下，还能保证数据的私密性？
最简单想到的就是通信双方约定好一种加密方式，对要说的话进行加解密，如图：
发送方将要发送的信息进行enc加密，接收方通过dec解密。

比如我要说的话是：123。我们提前约定好我会将我发的数字每位+1，这样我发出去的就是234。你收到我发的信息后，将每一位减1就能得到真实的信息。
为了让偷听者不能从密文中恢复出明文，必须保证算法不被外人所知。如果别人知道了你的加密算法，就能轻而易举破解。这样做有很多弊端，比如：

• 如果算法泄露，则必须设计新的算法，而设计加密算法并不容易。如果同时有很多用户的使用这套算法，换一套算法就更麻烦。
• 加密解密的人总要知道算法，所以算法的保密很难做到。
• 算法被设计出来，肯定需要很多人去测试它的安全性和正确性，这样知道这个算法的人就会很多，无法保证算法不被泄露。

虽然有这些弊端，但事实上人们历来都是这么干的。
直到Auguste Kerckhoffs 在 1883年提出了一条原则：加密算法不应该是秘密，即便落入敌人之手，也不会带来不便 。这条原则被现代密码学广泛接受，并被称为柯克霍夫原则（Kerckhoff’s Principle）。后来，信息论的奠基者香农把这条原则形象地表述为：“敌人知道系统。”
通俗的说就是算法不应该是秘密，但是必须有一个秘密信息参与到算法中，才能保证信息的安全性。这个秘密信息就是密钥。

对称加密

通信双方约定好一个密钥，然后用这个密钥进行加密算法。
比如我要说的是：123。加密算法会让我发的数字每位+x，这个x具体是多少就是我们通信双方要约定好的密钥了。
这样就实现了加密算法是公开的，但是只要密钥不被盗取，信息就不会泄漏。而且如果密钥泄漏，我们可以更改密钥即可。
常见的对称加密有: DES、2DES和3DES，AES。
但是这样又出现了一个问题，就是通信双方如何约定密钥？在网络上，发的任何信息都有可能被劫持，所以对称加密的问题就是通信双发如何能拿到密钥。

非对称加密

对称加密的问题在于互联网环境下没法传递密钥，应为密钥有可能泄漏。
非对称加密有两个密钥，一个公钥一个私钥。私钥只有消息接收者自己持有。公钥加密后只有私钥能解密，私钥加密后只有公钥能解密。
用公钥加密后的信息只有私钥的持有者能解密，如果双方想要用非对称加密进行通信的话，只要双方各持有一个公钥和一个私钥。然后各自用对方的公钥加密要发的数据，就能不被其他人破解。或者只要A有一个公钥和一个私钥，然后N约定好一个对称加密的密钥，将这个密钥用公钥加密然后发给A，A收到后双方就可以用对称加密来通信。

总结上面这段就是，如果用非对称加密来通信有两种方式：一种是通信双方各持有一个公钥和私钥，然后用各自的非对称加密算法来通信。另一种是用非对称加密算法来约定对称加密算法中的密钥。之后用对称加密算法来通信。
常见的非对称加密算法有：DSA,ECC,RSA,DH
但是上面存在一个问题，通信双方都是私钥的持有者，来接收公钥加密后的信息，那么怎么保证自己发出的公钥加密信息不会被他人篡改和替换？

数字签名

要想解决自己发出的公钥信息不会被篡改和替换，只要在信息上留下别人无法修改的记号就可以了。这就是数字签名。
只要信息发送者在信息中加入用自己私钥加密的一段信息，消息接收者用消息发送者的公钥能解开那段信息，就能保证信息没有被别人替换。那么加密一段什么信息比较好呢？这就要引出消息摘要算法。

消息摘要

消息摘要不是加密算法，他是不可逆的。它是对一段信息进行处理然后得到一串定长的消息摘要，同样的信息内容得到的消息摘要是相同的，不同的信息内容得到的消息摘要是不同的。
所以一般用消息摘要可以判断信息内容是否被修改，而且应为不管消息内容有多少，得到的消息摘要都是一样长度的。
常见的信息摘要有：MD5、SHA1。
所以现在是不是能实现完美的加密通信了呢？双发各持有一个公钥和一个私钥。要发消息时，先对消息内容进行消息摘要。在对消息内容用对方的公钥加密。最后再用自己的私钥对消息摘要加密形成数字签名。这样保证接收方收到内容时，内容不会被泄漏伪造和替换。

CA数字证书

但是回到非对称加密的起点，公钥怎么公开又是个问题。如果你虽然对外公开了你的公钥。但是你把公钥发给别人的时候被别人替换成他的公钥怎么办？你可能会说，用数字签名。你刚刚才说数字签名和保证内容不被替换和修改。
但是数字签名的前提是你要通信的那个人已经拿到了你的公钥，然后你用私钥对消息签名，他才能用你的公钥来判断是不是你的私钥签的名。现在的问题是他怎么能正确的拿到你的公钥，如果你的公钥被别人替换，那么你的后续的数字签名就没有用了。
那么如下图。既然在一开始传递公钥时，小红没法自己签名。那么找一个大家的认可的第三方（CA），把小红的个人信息和公钥告诉第三方，第三方对这些内容进行数字签名（相当于盖了一个公章），形成一个数字证书。然后小明用第三方的公钥如果能解开数字签名（鉴别公章是不是假的），就说明里面的内容是得到权威认证的。而且里面的内容有你的公钥和个人信息，这样小明就得到了小红的公钥，而且这个公钥不可能是被别人替换或者修改过的。

现在问题来了，上图的第四步，小明在验证小红的证书时。需要验证数字签名确实是权威CA签的，需要用CA的公钥才能解开数字签名。那么小明怎么得到CA的公钥呢？
其实，信任是有起点的。
CA 不仅为他人生成证书，也生成自己的证书，CA 为自己生成的证书里包含了CA的公钥。
CA 的证书在电脑、手机等设备出场的时候就会预置在系统里、浏览器里。
因此，当小明验证小红的证书时，会在系统里寻找能够解开小红证书的CA 公钥，若是找到则说明小明证书的颁发机构是可信任的，既然信任了该证书，那么从证书里取出的公钥，小明也认可是小红的。
如果在本机中没找到对应的公钥，那么小明就会认为这个证书是不可信的，就会提示用户是否要继续访问。

HTTPS

https是应用层协议，它会结合传输层和应用层之前的ssl一起使用，实现加密传输。（ssh也是加密协议，通常用在客户端远程访问）。https大概流程如下：

1. 客户端通过发送Client Hello报文开始SSL通信。报文中包含客户端支持的SSL的指定版本、加密组件（Cipher Suite）列表（所使用的加密算法及密钥长度等）。
   注意：客户端还会附加一个随机数，这里记为A。
2. 服务器可进行SSL通信时，会以Server Hello报文作为应答。和客户端一样，在报文中包含SSL版本以及加密组件。服务器的加密组件内容是从接收到的客户端加密组件内筛选出来的。
   注意：这里服务器同样会附加一个随机数，发给客户端，这里记为B。
3. 之后服务器发送Certificate报文。报文中包含公开密钥证书。（具体的数字签名请看证书一节）
4. 最后服务器发送Server Hello Done报文通知客户端，最初阶段的SSL握手协商部分结束。
5. SSL第一次握手结束后，客户端会对服务器发过来的证书进行验证，如果验证成功，解密取出证书中的公钥。（具体查看证书一节）
   接着，客户端以Client Key Exchange报文作为回应。报文中包含通信加密中使用的一种被称为Pre-master secret的随机密码串。该报文使用从证书中解密获得的公钥进行加密（其实就是服务器的公钥）。
6. 客户端继续发送Change Cipher Spec报文。用于告知服务端，客户端已经切换到之前协商好的加密套件（Cipher Suite）的状态，准备使用之前协商好的加密套件加密数据并传输了。
7. 客户端发送Finished报文。该报文包含连接至今全部报文的整体校验值（也就是HASH值），用来供服务器校验。
8. 服务器接收到客户端的请求之后，使用私钥解密报文，把Pre-master secret取出来。接着，服务器同样发送Change Cipher Spec报文。
9. 服务器同样发送Finished报文，用来供客户端校验。
10. 服务器和客户端的Finished报文交换完毕之后，SSL连接就算建立完成。当然，通信会受到SSL的保护。从此处开始进行应用层协议的通信，即发送HTTP请求。
11. 应用层协议通信，即发送HTTP响应。
12. 最后由客户端断开连接。断开连接时，发送close_notify报文。上图做了一些省略，这步之后再发送TCP FIN报文来关闭与TCP的通信。

相关文件扩展名

私钥、公钥、证书这三个相关的文件一般有以下扩展名：

常用后缀名：
证书(Certificate) - *.cer *.crt
私钥(Private Key) - *.key
证书签名请求(Certificate signing request) - *.csr
证书吊销列表(Certificate Revocation List) - .crl
X.509是常见通用的证书格式。所有的证书都符合为PublicKeyInfrastructure(PKI)制定的 ITU-T X509 国际标准。
pem(base64)和der(二进制)是证书的编码方式，以.pem结尾的文件既可以是证书也可以是私钥。（X.509是证书的内容格式，pem是编码方式）
.jks和.p12是是一种容器格式，可以同时保存多个证书和私钥。

注意，后缀名只是一种命名规范，只是让使用者能知道这个文件代表这什么。

普通的pem文件内容：

-----BEGIN PRIVATE KEY-----
ksldfjs
ksdjflsdf
...
....
sfjlskjdfljf
ksdfjlsdkf
-----END PRIVATE KEY-----
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二、keytool

在java中，jdk提供了管理公钥、私钥和证书的工具keytool。
在keytool中提供了一个叫密钥库的东西用来保存多个密钥和证书，密钥库的默认格式为jks，命名一般叫xxx.store。
常用的命令如下：
（1）生成密钥并放入指定密钥库：

keytool -genkey -alias privatekeys -keysize 1024 -keystore privateKeys.store -validity 3650
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-alias ：别名，指定密钥对的名称。让使用者通过该名称来操作密钥。（应为一个密钥库会有多个密钥）
-keyalg ：指定密钥生成算法RSA，默认DSA。DSA只能用来签名，RSA既可以用来签名也能用来加密。（签名是私钥加密，公钥解密。加密是公钥加密，私钥解密）
-keystore：指定密钥库，如果没指定默认将密钥生成在默认的一个.store文件中。密钥库扩展名可以是.store或.jks。
-keysize： 密码长度1024
-validity：有效期，3650表示10年。
（2）从密钥库中导出crt证书：

eytool -export -alias privatekeys -file certfile.cer -keystore privateKeys.store
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（3）将证书导入到公钥库：

keytool -import -alias publiccert -file certfile.cer -keystore publicCerts.store
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我们通常把第一步生成的称为私钥库，其中包含私钥和证书。这里生成的叫公钥库，其中只含有证书。
私钥库是服务端使用，公钥库是给客户端使用。
（4）查看密钥库信息

keytool -v -list -keystore file.keystore
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（5）将jks转为p12文件

keytool -importkeystore -srckeystore ‪x:\xxx\xxx.jks（jks文件路径） -srcstoretype JKS -deststoretype PKCS12 -destkeystore x:\xxx\xxx.p12（后缀改为p12）
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三、openssl

1、格式转换

通常keytool生成的jks格式的密钥库，只用在java相关的程序中使用，例如tomcat。如果要在其他应用中使用，就需要进行格式转换。
例如nginx中使用的就是pem格式的证书和私钥，其中私钥扩展名使用.key，公钥扩展名使用.crt。当然你都取名为pem也是没问题的。
要想将jks格式的密钥库转为pem格式，需要以下步骤：
（1）keytool将jsk转为p12文件
（2）p12转pem

openssl pkcs12 -nodes -in csii.p12 -out csii.pem
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应为p12文件可能包含多个私钥和证书，所以生成的pem文件中也可能包含多个私钥和证书。
我们打开转换后的pem文件，将其中-----BEGIN CERTIFICATE-----和-----END CERTIFICATE-----部分的内容复制到cert.pem中，把-----BEGIN PRIVATE KEY-----和-----END PRIVATE KEY-----部分的内容复制到pri_key.pem中。这样我们就得到了私钥文件pri_key.pem和证书文件cert.pem。
（3）如果你想得到公钥，可以使用：

openssl x509 -in cert.pem -pubkey -out pb.pem
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这样就得到了公钥文件pb.pem。

2、openssl生成私钥和证书

如果你想直接生成私钥和证书，而不是通过keytool生成的密钥库进行格式转换，可以使用如下方法：

openssl genrsa -des3 -out server.key 2048   #生成私钥文件server.key
openssl req -new -key server.key -out server.csr #生成证书请求文件server.csr
cp server.key server.key.org  # 备份一下 server.key
openssl rsa -in server.key.org -out server.key  #生成无秘钥 server.key
openssl x509 -req -days 365 -in server.csr -signkey server.key -out server.crt #通过私钥和证书请求文件生成证书
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