前言
早期互联网数据传输是基于TCP/IP模型完成数据交换，其各层对传输的数据包进行各协议的封装，从数据的发送方到接收方进行的数据交换都是基于明文传输。在传输的过程中数据的可以被中间人进行拦截或抓取，威胁了数据的保密性（窃听、通信量分析）、数据的完整性（更改、伪装、重放、否认）、数据的可用性攻击（拒绝服务DOS及DDOS）。为了了达到安全，出现了技术的解决方案：加密和解密来抵御攻击。
加密和解密算法和协议
1、对称加密：
-
特性：
- 1、加密和解密使用同一密钥，但双方加密算法可以不同
- 2、将原始数据分割成固定大小块，逐个进行加密
- 3、加解密速度比较快
-
缺点：
- 1、密钥过多
- 2、密钥分发困难
-
用途：
- 常见用于数据传输过程中的数据加密，
-
常见算法：
-
DES: Data ,基于64位明文产生64个密文，或者64位密文产生64位明文 -
3DES: triple DES -
AES: advanced Encryption standard,采用128、192、256、384位加密机制 BlowfishTwofishIDEARC16CAST5
-
2、非对称加密（公钥加密）
-
特性：
- 1、密钥分为公钥和私钥，密码都是成对出现。
- 2、私钥可以解公钥加密的数据，公钥也可以解私钥加密的数据
- 3、公钥从私钥中提取产生，可以公开给所有人，称之为Public Key
- 4、私钥通过工具创建，使用者自己留存，必须保证其私密性，称之为Secret Key
-
缺点
- 加解密速度慢，一般比对称加密要慢3个量级（一个量级是10倍）
- 中间人攻击
-
用途
- 1、数字签名
- 主要用于让接收方确认发送方的身份
- 2、密钥交换
- 发送方使用公钥加密一个对称密钥，并发送给对方
- 3、数据加密
- 1、数字签名
数字签名及密钥交换过程说明：
- 1、发送方使用单向加密算法计算数据的特征码，用其私钥加密特征码，并附加在数据后面，
- 2、发送方再使用对称加密算法生成密钥，加密整个数据，并拿到对方的公钥，加密对称加密的密码，发送给对方
- 3、对方收到后使用自己的私钥解密，拿到对称加密算法的密码，再使用密码解密整个数据。
身份验证机制的实现：发送方使用自己的私钥加密数据后，接收方拿对方发布的公钥解密其数据，这个过程被称之为身份验证
密钥交换机制的实现: 发送方使用对方的公钥加密其密码，接收方使用自己的私钥解密后可以得到其密码，这个过程被称之为密钥交换
-
常见算法
- RSA : 能同时实现加密解密
- DSS : Digital signarure standard
- DSA : 只能实现签名，不能实现加解密
3、单向加密
-
特性：
- 1、定长输出
- 2、雪崩效应
- 3、只加密不能解密
-
用途：
- 实现数据的完整性验证
-
常见算法：
- MD5 : message digest5,固定128位的定长输出
- sha1 : secure hash algorithm ,固定160位的定长输出
- sha224,sha256,sha384,sha512
密钥交换机制（IKE ，Internet Key Exchange）
-
实现算法：
- RSA
- ECDH(随圆曲线DH)
- ECDHE(临时随圆曲线DH)
- 公钥加密
- DH（deffie-hellman）
-
DH交换密钥的实现原理
A: p,g (生成两个大数) B: p,g（生成两个大数） A: x（生成一个随机数） --> p^x%g ---->（发送给B） B: y（生成一个随机数） -->p^y%g ----> (发送给A) A：（p^y%g）^x == p^yx%g B: (p^x%g) ^y == p^xy%g（算得的密码都一样）
为什么会有CA机构的出现
由于基于公钥和私钥机制进行密钥交换时，会有中间人攻击的情况发生。故我们需要有一个第三方机构帮忙认证证书的真实性，不会被第三方利用。这个情况下，出现了签证机构，即CA。
CA颁发证书的机制
- 1、客户生成相应的私钥，并提取公钥
- 2、向CA机构发送申请信息，其中需要提供主体名称、主体公钥、主体的唯一标识，生成一个签署请求文件。
- 3、CA机构对其提供的请求文件提取特征码，使用自己的私钥对特征码签名，生成证书（证书中包含信息请见以下）
PKI（Public infrastructure,公钥基础设施）
-
四个组件组成
- 签证机构 : CA
- 注册机构 : RA
- 证书吊销列表 : CRL
- 证书存取库 : CB
-
证书的基本格式（X.509标准）
- 1、证书序列号
- 2、序列号
- 3、签名算法ID
- 4、发行者名称
- 5、有效期限
- 6、主体名称
- 7、主体公钥
- 8、发行者的唯一标识
- 9、主体的唯一标识
- 10、扩展
- 11、发行者的签名
加密通信的实现协议
-
SSL (Secure socket layer)
由网景公司研发，SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间，为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层:SSL记录协议（SSL Record Protocol）:它建立在可选的传输协议（如TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。SSL握手协议（SSL Handshake Protocol）,它建立在SSL记录协议之上， 用于在实际的数据传输之前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等
* ######协议版本
* V1.0
* V1.2
* V3.0
-
TLS (Transport layer security)
TLS是开源SSL的实现，由IETF公司于1999年发布，其支持多种算法。TLS彩分层设计：
* 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
* 再向上：用于各种组件拼装而成的各种成品密码学协议软件
* 协议版本：
* V1.0
* V1.1
* V1.2(目前主流版本)
* V1.3
Handshake握手过程（无需验证客户端证书）
| 动作 | 发送方 |
|---|---|
| Client hello | Client |
| (2)Server Hello | Server |
| (3)Certificate | Server |
| (4)Server hello done | Server |
| (5)Client Key Exchange | Client |
| (6)Change cipher spec | Client |
| (7)Finished | Client |
| (8)Change cipher spec | Server |
| (9)Finished | Server |
- 1、TLS客户端通过Client Hello消息发送所支持的TLS版本、加密算法、压缩算法、密钥交换算法、MAC算法等信息发送给TLS服务端
- 2、TLS服务端确认本次通信采用TLS版本加密通信，并通过Server Hello消息通知SSL客户端，并将自己的公钥信息的数字证书发送给TLS客户端
- 3、服务端发送Server hello Done消息，通知客户端版本和加密套件协商结束，开妈进行密钥交换
- 4、客户端验证服务端的证书合法性后，利用证书中的公钥加密客户端随机生成的premaster secret（随机数字做为密码），发送给服务端
- 5、客户端发送Change cipher spec消息，通知服务端后续采用协议商好密钥和加密方法进行加密和MAC计算
- 6、客户端计算已交互的所有握手信息（除Change cipher spec消息）进行Hash值计算，并使用协商好的密钥进行加密Hash值，并通过Finished消息发送给服务器，服务端利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与解密的Hash值比较，如果二者相同，则证明密钥和加密套件协商成功
- 7、同样服务端也会发送Change cipher spec消息，通知客户端后续报文采用协商好的密码和加密套件处理Hash值，客户端利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与之对比，如果相同则证明密钥和套件协商成功
Handshake握手过程（验证客户端的证书过程）
| 动作 | 发送方 |
|---|---|
| Client hello | Client |
| (2)Server Hello | Server |
| (3)Certificate | Server |
| (4)Certificate Request | Server |
| (5)Server hello done | Server |
| (6)Certificate | Client |
| (7)Client Key Exchange | Client |
| (8)Certificate Verify | Client |
| (9)Change cipher spec | Client |
| (10)Finished | Client |
| (11)Change cipher spec | Server |
| (12)Finished | Server |
客户端的身份验证是可选的， 由服务器决定是否验证客户端的身份（银行网银类似是需要验证客户端的身份）
- 1、服务器发送Certficate Requset消息，请求客户端的证书
- 2、客户端通过Certificate消息将携带自己的证书发送给服务端
- 3、服务端验证该证书的合法性
- 4、客户端计算已交互的握手信息、主密钥的hash值，利用自己的私钥对其进行加密，发送给服务端
- 5、服务端计算已交互的握手信息，主密钥的hash值，利用客户端的公钥解密后，进行hash值对比，如果相同则客户端身份验证成功
说明：change cipher spec消息属于SSL密码变化协议，其他握手过程交互的消息均属于SSL握手协议，统称为SSL握手消息。计算Hash值，指的是利用Hash算法（MD5或SHA）将任意长度的数据转换为固定长度的数据
OpenSSL开源软件
1、简介
Openssl是开源软件，各应用程序可以使用openssl进行安全通讯，避免窃听、同时确认另一端连线者的身份，openssl被广泛应用在网页服务器之上。其是C语言所写，实现了基本的加密功能，也是SSL/TLS协议的应用实现。此软件是以Eric Young以及Tim Hudson两人所写的SSLeay的分支，于1998年12月发布第一个版本
2、Openssl的版本
- V0.91c (1998年12月发布)
- V1.0.1 : 支持TLS v1.2（2012年3月发布）
- V1.0.2 （2015年1月发布）
3、OpenSSL的组成部分：
- 加密解密库:Libencrypt,主要开发者使用
- Libssl : 实现SSL安全通信机制的库
- OpenSSL工具：多用途命令行工具
openssl加密工具
对称加密工具：openssl enc
加密：openssl enc -e -des3 -a -salt -in fstab -out fstab.cipher
-
解密 ：openssl enc -d -des3 -a -salt -out fstab -in fstab.cipher
-e : 加密 -d : 解密 -a : 以base64编码进行输出 -salt : 加盐 -in :指定从那个文件读入 -out : 输出至那个文件
单向加密工具：openssl dgst
-
openssl dgst -md5 fstab
-md5 :指定算法
生成用户密码：openssl passwd
-
openssl passwd -1 -salt 12345678
-1 : 指定加密算法 -salt : 加盐,并且为123456
生成随机数：openssl rand
- openssl rand -base64 10 (base64编码格式)
- openssl rand -hex 10 (16进制编码格式)
- openssl passwd -1 -salt $(openssl rand -hex 4)
生成私钥：openssl genrsa
- openssl genrsa 1024 > /tmp/mykey.private
- openssl genrsa 1024 -out /tmp/mykey.private 1024
- (umask 077;openssl genrsa -out /tmp/mykey.private 1024)
提取公钥：openssl rsa
- openssl rsa -in /PATH/FROM/private.key -pubout
- openssl rsa -in /PATH/FROM/private.key -pubout -out pub.key
查看证书:opensll x509
- openssl x509 -in httpd.crt -noout -serial -subject :只查看序列号和subject
Openssl CA的工作目录
- /etc/pki/CA
Openssl配置文件
- /etc/pki/tls/openssl.cnf
- $dir/certs : 签发的证书存放位置
- $dir/crl : 吊销的证书存放位置
- $dir/index.txt : 证书的索引信息
- $dir/serial : 索引序列号
- $dir/private/cakey.pem : CA自己的私钥
- $dir/cacert.pem : CA公钥位置
- [req] : 此ID中定义了签署证书的属性
构建CA及签发证书的步骤
########自建CA########
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 -x509 -new -key /etc/pki/CA/private/cakey.pem -out /etc/pki/CA/cacert.pem -days 3655
3、为CA提供所需的目录及文件
mkdir -pv /etc/pki/CA/{certs,crl,newcerts}
4、建立证书索引序列号
echo 01 > /etc/pki/CA/serial
########客户端生成私钥及生成签发证书请求########
1、到客户端相应的目录中，生成私钥
mkdir /etc/httpd/ssl
(umask 077; openssl genrsa -out httpd.key 2048)
2、生成签署请求文件（实为导出公钥信息）
openssl req -new -key httpd.key -out httpd.csr -days 365
########服务器端签署证书########
1、openssl ca -in /tmp/httpd.csr -out /etc/pki/CA/certs/httpd.crt -days 365
#######拷贝签署的文件至客户端指定目录#######
1、cp /tmp/httpd/csr /etc/httpd/ssl
CA吊销证书
1、客户端获取要吊销证书的serial
2、CA端主机执行吊销操作
openssl ca -revoke /etc/pki/CA/newcert/SERIAL_ID(证书的真正序列号)
3、生成吊销证书的吊销编号（只是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
