对称加密

• 加密前的原始数据，叫做 原文（ original text ），或者 明文（ plain text ）；
• 加密后的不规则（ scrambled ）数据，通常叫做 密文（ cipher text ）；
• 加密所用的密码，通常叫做 密钥（ secret key ）；

对称加密（symmetric encryption）算法最大的特点是，它只有一把密钥，加密和解密过程用的都是同一把密钥，这也符合大众对加密算法的认知，用密码对数据进行加密之后，必须用同一个密码才能将数据解密出来

• AES ，高级加密标准，新一代加密算法标准，速度快，安全级别高；
• DES ，数据加密标准，速度较快，适用于加密大量数据，但安全性较弱；
• Blowfish ，使用变长密钥，运行速度很快，非专利算法，没有使用限制；
• etc

非对称加密

从前有一个黑帮，老大和手下们之间的通信必须加密确保安全。于此同时，老大希望手下发给他的信息，不能被其他手下知晓。若采用对称加密算法，只能给每个手下都分配一个独立的密钥，但老大觉得太麻烦了。该怎么办呢？

黑帮老大希望他只维护一份密钥，就能达到这样的效果，有办法做到吗？

可以用非对称加密（asymmetric encryption）

非对称加密，顾明思议，在加密和解密环节用的密钥是不同的。

非对称加密算法需要两把不同的密钥，这两把密钥组成一对：

• 公钥（ public key ），公钥用来对数据进行 加密 ；
• 私钥（ private key ），也称为 密钥（ secret key ），用来对数据进行 解密 ；
• 公钥和私钥总是成对出现，用公钥加密后得到的密文，必须用对应的私钥才能解密；

这套加密机制完美解决了黑帮老大的难题，他只需要生成一对密钥：公钥分发给手下们，他们先用公钥加密信息，再发老大；老大接到密文，就用自己保管的私钥来解密；手下们就算拿到别人发的密文也解不开，因为私钥只有他们老大才有。

数学原理

公钥和私钥的加密机制看起来非常不可思议，这一切其实来一个神奇的数学原理。

我们来做一个数字游戏，您随便写下一个整数 m （1<m<7387  ），然后计算m ^3 mod 7387  并把结果告诉我，我就知道您写下的整数 m 是什么

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11

# 520
>>> 520 ** 3 % 7387
3842
>>> 3842 ** 4811 % 7387
520

# 1314
>>> 1314 ** 3 % 7387
7382
>>> 7382 ** 4811 % 7387
1314

公钥参数 3 和 7387 ，私钥参数 4811 和 7387 又是怎么生成的呢？ 第一步，随机选择两个质数 p 和 q ： p = 83 q = 89 第二步，计算 p 和 q 的乘积 n ： n = p * q = 7387 第三步，计算 n 的欧拉函数 ，记为 phi ： φ(n) = (p-1) * (q-1) = 7216 第四步，随机选择一个整数 e ，满足1<e<φ(n)，且 e 和φ(n)互质： 选一个质数 e ，使得不能被 e 整除即可。 第五步，计算 e 对φ(n)的模反元素 d ，即找到一个数 d 使得 ed 除以φ(n)的余数为 1 ： ed ≡ 1 mod(φ ( n )) <=> ed = kφ(n) + 1

 可以找到一个d :4811

安全性分析

那么，有无可能在已知n和e的情况下，推导出d？

1
2
3

ed≡1 (mod φ(n))。只有知道e和φ(n)，才能算出d。
φ(n)=(p-1)(q-1)。只有知道p和q，才能算出φ(n)。
n=pq。只有将n因数分解，才能算出p和q。

大整数的因数分解，是一件非常困难的事情

目前，能够被破解的 n 最大位数是 768 位(这里提到的位是指二进制位)，因此有人开始质疑 1024 位密钥的安全性。现在推荐的密钥长度至少要 2048 位，只要长度足够，安全性完全不用担心

应用场景

加密

公钥加密私钥解密是非对称加密算法最典型的应用场景，特别适用于密钥需要公开的场景，比如 传输层安全协议 TLS ，它为通讯双方提供可靠的加密连接

如果没有非对称加密算法，TLS 将无法实现。因为对称加密算法要求双方使用同一密钥，加密连接建立之前，只能明文协商密钥。试想浏览器想跟服务器建立安全连接，无论是它选定密钥然后发给服务器，还是服务器选定密钥发给它，只要密钥经过明文传输，加密就失去意义。

有了非对称加密算法，服务器可以生成一对密钥，私钥自己保管，公钥可以公开。当浏览器请求建立加密连接时，服务器可以将公钥发给浏览器，因为公钥是可以公开的。浏览器将敏感信息用公钥加密后再发给浏览器，只有掌握私钥的服务器才能解密，他人便无法知晓。

同理，服务器想发敏感信息给客户端，必须由客户端生成的公钥加密。换句话讲，每对密钥解决一个方向的加密问题，通讯双方都需要生成自己的密钥对，负责加密对方发来的数据。

由于非对称加密算法运算复杂，加密效率不高，通常只是用来加密少量的关键信息，比如协商密钥。回到 TLS 这个例子，其实可以借助非对称加密算法协商密钥，从而直接使用更高效的对称加密算法来加密数据：

1. 服务器生成公钥和私钥 对；
2. 客户端（浏览器）连接上来后，服务器将公钥发给客户端；
3. 客户端随机生成一个用于对称加密（ AES ）的密钥；
4. 客户端用公钥对生成的密钥进行加密，然后后发给服务器；
5. 服务器收到客户端用公钥加密的密钥后，用自己的私钥解密，至此密钥协商完毕；
6. 由于私钥只有服务器才有，因此第三方无法知晓客户端选定的密钥是啥；
7. 此后通信双方采用对称加密，以该密钥加密数据；

签名

实际上，私钥也可以用来加密数据，加密后的密文只有公钥才能解密。尽管如此，由于公钥是公开的，因此这个机制不能来加密数据，但可以对用来对数据进行签名防伪。

数字证书(certificate)

• 信息摘要（ digest ），数据经过哈希算法得到的一串哈希值，代表数据的特征，也称为数据指纹；
• 摘要算法 ，可以把任意长度的数据，映射成一个定长的字符串（哈希值）；
  • 由于哈希冲突的存在，两份不同的数据，有可能算出相同的摘要值；
  • 摘要算法无法用于数据加密，通常用来校验数据完整性，即 数据防伪 ；
  • 常见的摘要算法有：MD5 、SHA1 、SHA256 、SHA512 。
• 数字签名（ signature ），摘要由私钥加密后，得到的摘要密文就是数字签名；
  • 签名，由数据发送方生成，这是一个 加密 过程（使用私钥）；
  • 验签，由数据接收方校验，这是一个 解密 过程（使用公钥）；
  • 数字签名只能由私钥生成，因此第三方无法伪造；

在介绍密钥协商时，我们提到服务器先将公钥发给客户端，用公钥保护对称加密密钥，确保通信内容不会被第三方获悉。但如果客户端连接的服务器是假的呢？如果用户对假网站信以为真，输入了账号密码，那么这些敏感信息都会被假网站窃取！

上节我们也讨论了数字签名，通过它可以实现数据防伪。那么，我们是不是可以利用这项技术来甄别仿冒站点呢

1. 权威机构生成一对密钥，并提供站点认证审核和数字签名颁发服务；
2. 站点管理员将站点信息，包括域名、运营单位、公钥等信息发给权威机构审核；
3. 权威机构对提交上来的站点信息进行审核，审核通过则用私钥签名后返回给站点管理员；
4. 客户端（浏览器）连接站点服务器，服务器将站点信息以及对应的数字签名发给客户端；
5. 客户端用权威机构提供的公钥来校验数字签名，即可判断站点信息的真伪性；
6. 签名验证通过，客户端从站点信息中取出公钥，与服务端协商密钥，发起加密通信；
7. 由于签名用的私钥只有权威机构掌握，黑客无法伪造数字签名，也就无法架设仿冒站点；
8. 权威机构必须由可信的单位运营；

你可能会觉得，黑客直接盗用站点信息和签名不就可以伪造原站点了嘛？此言差矣！因为公钥属于站点信息
的一 部分，也会参与签名！客户端和服务端协商密钥时，会使用这个公钥加密密钥。由于黑客不掌握站点私 钥，因此 加密连接无法建立！黑客把公钥替换成自己的吧，签名就不对，肯定会被验出来！

证书签发实验

CA权威机构

首先，权威机构需要生成一对密钥，cakey.pem 是私钥,

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openssl genrsa -out cakey.pem 2048

然后，生成根证书签发申请文件（ csr 文件）：

1

openssl req -new -key cakey.pem -out ca.csr -subj '/C=CN/ST=Guangdong/L=Guangzhou/O=coding-fans/OU=CA/CN=ca.fasionchan.com'

证书申请文件包含权威机构的信息，包括机构信息(Subject )和公钥(Public Key 部分)可以用下面命令查看：

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openssl req -in ca.csr -text -noout

最后，自签根证书（ cer 文件 ）：

1

openssl x509 -req -days 3650 -sha1 -extensions v3_ca -signkey cakey.pem -in ca.csr -out ca.cer

这一步生成的 cer 文件就是根证书文件，它的主要作用是承载权威机构公钥，以便预装在操作系统或者其他终端。它同样会包含权威机构的信息，公钥，以及对应的签名。

商业站点（服务端）

首先，站点管理员生成一对密钥

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openssl genrsa -out sitekey.pem 2048

然后，生成证书签发申请文件（ csr 文件）：

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openssl req -new -key sitekey.pem -out site.csr -subj '/C=CN/ST=Guangdong/L=Guangzhou/O=fasionchan/OU=website/CN=fasionchan.co

证书申请文件包含站点信息和公钥，站点管理员将证书申请文件发给权威机构审核，

权威机构对申请进行审核，审核通过则用自己的私钥对它进行签名，生成证书(cer 文件):

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openssl x509 -req -days 365 -sha1 -extensions v3_req -CA ca.cer -CAkey cakey.pem -CAserial ca.srl -CAcreateserial -in site.csr -out site.cer

证书中保存着包括公钥在内的站点信息，以及权威机构对这些信息的签名。管理员接到权威机构颁发的证书，就可以部署网站了

浏览器（客户端）

客户端浏览器访问站点，服务端会将其证书发给客户端。客户端先对证书签名进行验证，步骤如下：

• 重新对证书中的站点信息计算 摘要值 ；
• 用公钥对证书中的签名进行解密，得到证书的原始摘要值；
  • 公钥通常由根证书提供，根证书通常预装在系统里；
• 对比两个摘要值看是否一致；

调用 openssl 工具，一行命令即可完成签名验证

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openssl verify -CAfile ca.cer site.cer

总结

数字证书是支撑互联网身份认证的重要技术手段，可以简单理解成经过 CA 权威结构签名认证过的站点信息。由于经过 CA 签名，第三方无法通过伪造手段冒充身份。

• 证书由站点信息和 CA 签名组成，站点信息包含站点公钥，公钥用于协商对称加密密钥；
• 证书由 CA 权威机构审核签发，签名用的是 CA 的私钥；
• CA 公钥通常以根证书形式预装在系统内，客户端通过它来验证证书签名；
• 有了数字签名，黑客无法对证书进行篡改，也无法伪造证书，因此无法部署仿冒站点；
  • 若只窃取原站点证书，不做篡改，客户端使用真实站点的公钥，而黑客无法掌握站点私钥，因此加密连接无法建立；
  • 如果篡改原站点证书，换上自己的公钥，但因为没有 CA 私钥无法生成合法签名，也会被识别出来；

转载自数字证书身份认证原理与签发步骤详解 | 小菜学网络