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openssl加解密原理及私有CA的建立

作者：Cpp五条 | 2024-03-25 08:47:29

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openrsap 原理

一、openssl加解密原理

数据加密解密过程
数据加密需要实现的功能：数据私密性，数据完整性，身份认证和秘钥交换。

美国NIST，为了计算机的安全，提出了几个要求:
1、数据保密性
   数据保密性
   隐私性
2、完整性
   数据完整性
   系统完整性

3、可用性

4、真实性 && 可追溯性

OSI：x.800
  安全***：
   被动***：窃听
   主动***：伪装、重播、消息修改、拒绝服务
  安全机制：
   加密、数字签名、访问控制、数据完整性、认证交换、流量填充、路由控制、公证
  安全服务：
   认证
   访问控制
   数据保密性
    连接保密性
    无连接保密性
    选择域保密性
    流量保密性
   数据完整性
   不可否认性

1.1、密码算法和协议

1.1.2、对称加密
       采用单密码系统的加密算法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密，也称做单密钥加密。
     常用的对称加密算法：
  DES （56）
  3DES
  AES （128，192，256，384，512）
  Blowfish
  Twofish
  IDEA
  RC6
  CAST5

明文：clear text, plain text
密钥：
密文：
加密、解密算法

  特性：
   1、加密、解密使用同一口令；
   2、将明文分隔成固定大小的块，逐个进行加密

优点：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。

  缺陷：
   1、密钥过多； 2、密钥传输；
   密钥交换、身份验正、数据完整性

1.1.2、公钥加密
非对称加密
密钥：public key, secret key
p/s

公钥：其密钥长度非常长

   身份认证：
   密钥交换
  常用的公钥加密加密算法：
   RSA, DSA, EIGamal
   RSA

1.1.3、单向加密
提取数据的惟一的特征码，用来校验数据在传输过程中是否被修改。
     1、定长输出；
     2、不可逆；
     3、雪崩效应

    常用的单向加密加密算法：
     md5: 128bits
     sha1: 160bits
             SHA256、SHA384、SHA512
             HMAC
eg：         md5sum /tmp/fstab
             sha512sum /tmp/fstab
     Bob --> data, fingerprint --> data,

数据指纹
Bob使用自己的私钥加密生成特征码，别人再拿Bob的公钥进行解密
能用公钥解开特征码，保证了数据来源，解开后再加密和原有特征码一致，保证了数据的完整性。

1.1.4、认证协议
密钥交换：IKE（Internet Key Exchange）
DH算法

1.2、加解密过程描述

1、 Bob生成数据
2、用单向加密算法计算这段数据的特征码
3、用自己的私钥加密这段特征码并附加在数据的后面——用自己的私钥进行签名
4、再生成一个一次性对称密钥将这个数据整个加密
5、加密完后再用Alice的公钥去加密这个一次性密码
6、放在这个数据的后面一并发给Alice。
7、 Alice得到后先用自己的私钥解密这段密码
8、拿到密码后解密加密的数据，再用同样的单向加密算法计算这个特征码
9、并用Bob的公钥去解密单向加密算法生成的特征码，验证对方身份
10、看计算和解密的特征码是否一致。
11、 Alice接收数据

Bob把证书给Alice。Alice得到证书后先用CA的公钥解密特征码，能解密才行，再用同样的单向加密算法解密这段特征码，两个特征码一致才行。

密钥交换：IKE（Internet Key Exchange）
DH算法

Bob把信息发给CA，CA用单向加密算法计算整个证书的特征码，并用私钥加密这段特征码并附加在证书的后面，Bob把证书给Alice。Alice得到证书后先用CA的公钥解密特征码，能解密才行，再用同样的单向加密算法解密这段特征码，两个特征码一致才行。

1.3、公钥基础设施PKI
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：

用户 ->证书存取库-> RA -> CA
->证书吊销列表

x.509: 定义了证书结构和认证协议标准；
IP安全、TLS/SSL和S/MIME

证书结构
    证书版本号
  证书序列号
    算法参数
    发行者名称
    有效期限
    证书拥有者名称(主题名称)
    公钥信息
  发行者的ID
    证书拥有者信息(主题ID)
    CA的签名

SSL: Secure Socket Layer
sslv1, sslv2, sslv3

TLS: Transport Layer Security
tlsv1

http(80/tcp) --> ssl --> https(443/tcp)

Linux：gpg, (pgp); openssl

1.4、openssl的运用
      全名：开放式安全套接层协议
   OpenSSL是一个强大的安全套接字层密码库，囊括主要的密码算法、常用的密钥和证书封装管理功能及SSL协议，并通过丰富的应用程序供测试或其他目的使用。
     SSL协议标准目标是保证两个应用间通信的保密性和可靠性，可在服务器段和用户端同时实现支持。
    SSL能使用户/服务器应用之间的通信不被***者窃听，并且始终对服务器进行认知，还可选择对用户进行认知。SSL协议要求建立在可靠的传输层协议(TCP)上。SSL协议的优势在于它是与应用层协议独立无关的，高层的应用层协议(例如：HTTP,FTP,TELNET等)能透明地建立于SSL协议之上。SSL协议在应用层协议通信之前就已经完成了加密算法、通信密钥的协商及服务器认证工作。在此之后应用层协议所传送的数据都会被加密，从而保证通信的私密性。

openssl: 多用途命令行工具，各功能分别使用子命令实现
libcrypto: 公共加密库
libssl: ssl协议的实现

openssl命令工具：
# openssl version

1.4.1、openssl基本用法
查看是否安装：rpm -ql openssl
Standar commands: 命令功能
Message Digest command: 信息摘要支持的算法
Cipher: 加密支持的算法
查看openssl的安装文件，配置之前可以先去读/etc/pki/tls/openssl.cnf配置文件，了解openssl工具家目录下各个文件夹的作用。这里看到CA的家目录是在/etc/pki/CA/,现在看下里面的目录结构
certs: 签发证书存放的地方
private:存放CA的私钥
crl:吊销的证书存放的地方
newcerts:签发新证书存放的地方
serial:签发证书的序列号(需创建)，serial起始序列号需要制定
index.txt:数据库的索引文件(需创建)
crlnumber:吊销的证书序列号(需创建)

openssl命令选项：
-e 进行加密操作，可以不写默认为加密
-d 进行解密操作
-a 当进行加解密时，它只对数据进行运算，有时需要进行base64转换。设置此选项后，加密结果进行base64编码；解密前先进行base64解码。
-salt 加密过后放在密码最前面的一段字符串
-in 读取那个文件进行加密
-out 输出到哪里
-des3 指定算法

1.4.2、对称加密中的openssl
工具：gpg, openssl enc
算法：DES, 3DES, AES, Blowfish, Twofish, RC6, idea, CAST5

# openssl enc -des3 -a -salt -in /path/from/somefile -out /path/to/somecipherfile
#openssl enc -d -des3 -a -salt -in /path/from/somecipherfile -out /path/to/somefile

注意：enc -ciphername 表示对称算法名字
      -d 进行解密操作
      -a 当进行加解密时，它只对数据进行运算，有时需要进行base64转换。设置此选项后，加密结果进行base64编码；解密前先进行base64解码。
      -salt 加密过后放在密码最前面的一段字符串

1.4.3、单向加密中的openssl
  验证数据特征码的机制
  特性：
   One-Way
   Collison-free
  算法：
   md5: 128bits
   sha1: 160bits
   sha256
   sha384
   sha512

# openssl dgst [-md5|-sha1] [-out /path/to/filename] /path/from/somefile

openssl dgst主要用于数据摘要，它也可以用于数据签名以及验证签名，默认md5.

MAC: 消息摘要码，单向加密的一种延伸类的应用
应用：用于实现在网络通信中保证所传输的数据的完整性

   机制：
    CBC-MAC
    HMAC：使用md5或sha1算法

用户密码：passwd命令计算一个密钥的哈希值或者计算列表中的每个密钥的hash值
# openssl passwd -1 -salt SALT
注意：-1 用MD5基于BSD的密钥算法

生成随机数：
# openssl rand -base64|-hex num

eg:openssl passwd -1 -salt `openssl rand -hex 4`

1.4.4、公钥加密的openssl
算法：RSA, EIGamal
工具：gpg, openssl rsautl

数字签名：
算法：RSA, EIGamal, DSA

DSA: Digital Signature Algorithm
DSS: Digital Signature Standard

密钥交换：IKE
算法：公钥加密、DH
Diffie-Hellman

生成密钥：
  # (umask 077; openssl genrsa -out /path/to/keyfile NUMBEROFBITS )
     -out指定生成文件的，需要注意的是这个文件里包含了公钥和私钥两部分，也就是说这个文件即可以用来加密也可以用来解密。
     eg:opessl genrsa -out rsa_pri.pem 1024

提出公钥：
# openssl rsa -in /path/from/private_key_file -pubout

二、openssl建立私有CA

2.1、建立私有CA总体流程
1、生成密钥
2、自签署证书

  节点：
   1、生成密钥对儿
   2、生成证书签署请求
   3、把请求发送给CA

  CA：
   1、验正请求者信息；
   2、签署证书；
   3、把签好的证书发送给请求者；
Openca

2.2、建立私有CA具体流程

2.2.1、建立CA服务器

2.2.1.1、生成密钥
公钥加密的算法
#(umask 077; openssl genrsa -out /etc/pki/CA/private/cakey.pem 2048)

命令详解：
umask 077：保证秘钥文件其他人无读写权限，在()内执行，只对当前子shell有效
-out /path/to/somefile:指定生成秘钥位置
2048：秘钥长度，可自定义

#openssl rsa -in private /etc/pki/CA/private/cakey.pem -pubout -text //可提取公钥

2.2.1.2、自签证书
#openssl req -new -x509 -key /etc/pki/CA/private/cakey.pem -out /etc/pki/CA/cacert.pem -days 3655

    req: 生成证书签署请求
     -news: 新请求
     -key /path/to/keyfile: 指定私钥文件
     -out /path/to/somefile:
     -x509: 生成自签署证书
     -days n: 有效天数

2.2.1.3、初始化工作环境
# touch /etc/pki/CA/{index.txt,serial}
# echo 01 > /etc/pki/CA/serial
命令详解：
index.txt：证书缩影数据库
serial：签署证书编号文件
echo 01 > serial #设定编号初始值

2.2.2、节点申请证书

2.2.2.1、生成密钥对儿
我们给web服务生成请求用于https，在其配置文件目录创建用于保存私钥和证书的目录
# mkdir /etc/httpd/ssl
# cd /etc/httpd/ssl
# (umask 077; openssl genrsa -out /etc/httpd/ssl/httpd.key 2048)

2.2.2.2、生成证书签署请求
# openssl req -new -key /etc/httpd/ssl/httpd.key -out /etc/httpd/ssl/httpd.csr

2.2.2.3、把签署请求文件发送给CA服务
# scp
eg:scp httpd.csr 172.11.100.7:/etc/pki/CA/csr/

2.2.3、CA签署证书

2.2.3.1、验正证书中的信息

2.2.3.2、签署证书
#openssl ca -in /path/to/somefile.csr -out /path/to/somefile.crt -days N

eg:#openssl ca -in /etc/pki/CA/csr/httpd.csr /etc/pki/CA/csr/httpd.crt -days 1000

2.2.3.3、发送给请求者
scp /etc/pki/CA/csr/httpd.crt 172.11.100.6:/etc/httpd/ssl

2.3、吊销证书

（一）节点
1、客户端获取证书serial
# openssl x509 -in /path/to/certificate_file.crt -noout -serial -subject
eg:openssl x509 -in /etc/httpd/ssl/httpd.crt -noout -serial -subject

(二) CA
2、根据节点提交的serial和subject信息来验正与index.txt文件中的信息是否一致；
cat /etc/pki/CA/index.txt

3、吊销证书
#cd /etc/pki/CA/newcerts
#ls -ltr
# openssl ca -revoke /etc/pki/CA/newcerts/SERIAL.pem

4、生成吊销证书的编号(如果是第一次吊销)
# echo 00 > /etc/pki/CA/crlnumber

5、更新证书吊销列表
# cd /etc/pki/CA/crl/
# openssl ca -gencrl -out thisca.crl

如果需要，查看crl文件的内容：
# openssl crl -in /path/to/crlfile.crl -noout -text

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