加密解密技术基础、PKI及创建私有CA

在OSI模型和tcp/ip模型中，应用发送某个数据到服务器，通过很多条路径才能到达服务器，在发送的路上，因为数据是明文，且任意人都可以查看，这就给数据带来了风险。因此，加密就很有必要了。

常见的密钥算法和协议
  对称加密(加密解密使用同一个密钥)
  公钥加密(非对称加密，公钥和私钥)
  单向加密(只能加密，不能解密)
  认证协议

对称加密

  对称加密采用了对称密码编码技术，它的特点是文件加密和解密使用相同的密钥，即加密密钥也可以用作解密密钥，这种方法在密码学中叫做对称加密算法，对称加 密算法使用起来简单快捷，密钥较短，且破译困难，除了数据加密标准（DES），另一个对称密钥加密系统是国际数据加密算法（IDEA），它比DES的加密 性好，而且对计算机功能要求也没有那么高。IDEA加密标准由 PGP（Pretty Good Privacy）系统使用。

工作过程

下面举个例子来简要说明一下对称加密的工作过程。甲和乙是一对生意搭档， 他们住在不同的城市。由于生意上的需要，他们经常会相互之间邮寄重要的货物。为了保证货物的安全，他们商定制作一个保险盒，将物品放入其中。他们打造了两 把相同的钥匙分别保管，以便在收到包裹时用这个钥匙打开保险盒，以及在邮寄货物前用这把钥匙锁上保险盒。

上面是一个将重要资源安全传递到目的地的传统方式，只要甲乙小心保管好钥匙，那么就算有人得到保险盒，也无法打开。这个思想被用到了现代计算机通信的信息加密中。在对称加密中，数据发送方将明文（原始数据）和加密密钥一起经过特殊加密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去。接收方收到密文后，若想解读原文，则需要使用加密密钥及相同算法的逆算法对密文进行解密，才能使其恢复成可读明文。在对称加密算法中，使用的密钥只有一个，发收信双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密。

对称加密常用的算法：

    DES：Data Encryption Standard;
    3DES：Triple DES;
     AES：Advanced Encryption Standard;  (128bits, 192bits, 256bits, 384bits)
     Blowfish
     Twofish
     IDEA
     RC6
     CAST5
                
  特性：
   1、加密、解密使用同一个密钥；
   2、将原始数据分割成为固定大小的块，逐个进行加密；
                    
  缺陷：
   1、密钥过多；
   2、密钥分发困难；

公钥加密    

   与对称加密算法不同，非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥（publickey）和私有密钥（privatekey）。公开密钥与私有密钥是一对，如果 用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。因为加密和解密使用的是两 个不同的密钥，所以这种算法叫作非对称加密算法。

工作过程

1.A要向B发送信息，A和B都要产生一对用于加密非对称加密算法和解密的公钥和私钥。

2.A的私钥保密(自己保存)，A的公钥告诉B；B的私钥保密(自己保存)，B的公钥告诉A。

3.A要给B发送信息时，A用B的公钥加密信息，因为A知道B的公钥。

4.A将这个消息发给B（已经用B的公钥加密消息）。

5.B收到这个消息后，B用自己的私钥解密A的消息。其他所有收到这个报文的人都无法解密，因为只有B才有B的私钥。

       特性：        

    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；private 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

单向加密  

  又叫单向散列算法，又称hash函数，Hash函数（也称杂凑函数或杂凑算法）就是把任意长的输入消息串变化成固定长的输出串的一种函数。这个输出串称为该消息的杂凑值。一般用于产生消息摘要，密钥加密等。即提取出数据指纹；只能加密，不能解密；  

    特性：定长输出、雪崩效应；
     功能：完整性验证；
     常见算法：
       md5：Message Digest 5, 128bits
       sha1：安全的哈希算法 Secure Hash Algorithm 1, 160bits
           sha224, sha256, sha384, sha512   

密钥交换：

    IKE（Internet Key Exchange）一种用以获得认证密钥的协议。

  密钥交换的两种机制：

   1、公钥加密实现：

发送方用接收方的公钥加密自己的密钥，接收方用自己的私钥解密得到发送方的密钥，逆过来亦然，从而实现密钥交换。

   2、使用DH算法：前提发送方和接受方协商使用同一个大素数P和生成数g，各自产生的随机数X和Y。发送方将g的X次方modP产生的数值发送给接收方，接受方将g的Y次方modP产生的数值发送给发送方，发送方再对接收的结果做X次方运算，接受方对接收的结果做Y次方运算，最终密码形成，密钥交换完成。

通信阶段加密解密

BOB和ALICE通信阶段

  黑框A：表示要传输的数据
  黑框B：就是单项加密对这段数据提取的特征码，这段特征码同时运用了非对称加密，具体过程是用BOB的私钥加密，传输给ALICE，只要到达后ALICE能解密，表明对方确实是BOB。这一过程同时起到了用户认证和数据完整性的校验。黑框B又称为数字签名
  红框A：这一阶段会生成一段很长的随机数（密钥）然后配合对称加密算法对黑框A和黑框B加密,但是我们如何把加密的密钥传输给ALICE呢？这就要用到红框B了
  红框B：这一阶段是用ALICE的公钥加密这串随机数（对称加密阶段的密钥），ALICE接收到数据后如果能用自己私钥解密，那就证明接受者确实ALICE

加密过程：
  第一步：用单向加密算法提取数据（黑框A）的特征值
  第二步：用自己的私钥加密这段特征值形成黑框B
  第三步：用对称加密算法，对黑框A和黑框B来加密，得到红框A
  第四步：用ALICE的公钥来加密第三步所用的密钥，得到红框B

解密过程：
  第一步：ALICE用自己的私钥解密红框B得到对称加密的密钥
  第二步：用这个密钥解密红框A内容
  第三步：用BOB的公钥解密黑框B，如果能成功，说明发送方确实是BOB，这就完成了身份验证（解密后会得到一串数据的特征值）
  第四步：用同样的单项加密算法来对这段数据提取特征值，如果和第三步的特征值一样，说明这段数据是完整的，这就完成了数据完整性的校验

还有一个问题就是BOB和ALICE如何获得对方的公钥，或者说如何证明获得的公钥就是对方。这就需要引入另一方证书颁发机构CA，下面是对证书颁发机构跟BOB/ALICE之间的解释

  黑框C：代表要颁发给BOB/ALICE的公钥，组织，地址等信息
  黑框D：是对黑框C进行单向加密后得到的数字签名，然后用自己的私钥对其加密，传输给BOB和ALICE，拿着这个证书颁发机构的公钥（这些证书颁发机构 的公钥一般已经被microsoft事先放在windows里面，当然其他操作系统也是一样的）的BOB和ALICE如果能对这个证书进行解密，说明这个 证书颁发机构不是冒充的
  红框E：表示颁发给BOB和ALICE的证书

CA的工作方式：

PKI

PKI（Public Key Infrastructure）公钥基础设施是提供公钥加密和数字签名服务的系统或平台，目的是为了管理密钥和证书。一个机构通过采用PKI 框架管理密钥和证书可以建立一个安全的网络环境。PKI 主要包括四个部分：X.509 格式的证书（X.509 V3）和证书废止列表CRL（X.509 V2）；CA 操作协议；CA 管理协议；CA 政策制定。一个典型、完整、有效的PKI 应用系统至少应具有以下五个部分；

            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

CA：
 公共信任的CA，私有CA；
        
  建立私有CA：
    openssl
    OpenCA

openssl命令：
   配置文件：/etc/pki/tls/openssl.cnf
            
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

    2、生成自签证书

    3、为CA提供所需的目录和文件

操作步骤

   (1) 生成私钥；

[root@bogon ~]# (umask 077; openssl genrsa -out /etc/pki/CA/private/cakey.pem 4096)
Generating RSA private key, 4096 bit long modulus
..........................................................................................
..........................................................................................
.....................................................++...................................
..........................................................................................
...............................................................++
e is 65537 (0x10001)

  (2) 生成自签证书；
  

 [root@bogon ~]# openssl req -new -x509 -key /etc/pki/CA/private/cakey.pem -out /etc/pki/CA/cacert.pem -days 365
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [XX]:CN
State or Province Name (full name) []:Beijing
Locality Name (eg, city) [Default City]:Beijing
Organization Name (eg, company) [Default Company Ltd]:test
Organizational Unit Name (eg, section) []:test
Common Name (eg, your name or your server's hostname) []:test
Email Address []:abc@qq.com

     选项解释：

       -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；

[root@bogon ~]#  mkdir  -pv  /etc/pki/CA/{certs,crl,newcerts}
[root@bogon ~]#  touch  /etc/pki/CA/{serial,index.txt}
[root@bogon ~]#  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；

[root@bogon ~]#  mkdir /etc/httpd/ssl 
[root@bogon ~]#  cd /etc/httpd/ssl
[root@bogon ~]#  (umask 077; openssl genrsa -out /etc/httpd/ssl/httpd.key 2048)

(2) 生成证书签署请求

[root@bogon ~]# 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；
    U盘复制或其它可靠方式               

(4) 在CA主机上签署证书；
    

[root@bogon ~]# openssl ca -in /tmp/httpd.csr -out /etc/pki/CA/certs/httpd.crt -days 365

                        
查看证书中的信息：

[root@bogon ~]# openssl x509 -in /etc/pki/CA/certs/httpd.crt -noout -serial -subject

                            
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）：

[root@bogon ~]# 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：

[root@bogon ~]# openssl ca -revoke /etc/pki/CA/newcerts/SERIAL.pem

   注：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）

[root@bogon ~]#  echo  01  > /etc/pki/CA/crlnumber

                    
   (4) 更新证书吊销列表

[root@bogon ~]#  openssl  ca  -gencrl  -out  thisca.crl

                        
   查看crl文件：

[root@bogon ~]#  openssl  crl  -in  /PATH/FROM/CRL_FILE.crl  -noout  -text