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15.1 通信加密和解密技术入门

宋涛 收录于 Linux
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通信加密和解密技术入门

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从本章开始，我们进入 Linux 学习的第二部分 Linux 网络服务与安全。第二部分会涉及到以下的内容

  1. 网络安全加密，Openssl，Openssh
  2. DNS 服务
  3. web 服务，包括构建在 apache httpd 服务上的 LAMP，和构建在 nginx 上的 LNMP
  4. 文件服务，包括 nfs，samble，ftp
  5. 自动化安装相关的 dhcp，pxe
  6. 防火墙 iptables
  7. 系统管理相关的一些命令和服务包括 sudo，pam, nsswitch

本章我们将学习网络加密和解密技术，内容分成了三个部分:

  1. 基础知识，包括常见的加密算法，ssl 协议，以及安全通信中的基础设施 CA
  2. 如何利用我们的加密算法实现安全通信
  3. 加密工具 openssl工具的使用

很多互联网的基础协议诞生于互联网产生的初期，那时候能使用互联网的人很少，能实现主机之间的通信就已经很不容易，也就没有安全通信的需求，所以大多数的基础网络通信协议都是明文传输的。随着互联网的普及，安全通信的需求越来越迫切，ssl 协议孕育而生，它位于应用层和传输层之间，为所有的应用层协议提供可选的安全通信服务。安全通信需要各种加密技术，同时也出现了通信安全的基础设施 CA，本节就会介绍这部分的基础知识，内容包括

  1. 网络安全概述，包括安全的目标，面临的威胁，以及可能的防范手段
  2. ssl 协议的作用和实现
  3. 加密算法和协议
  4. 公钥基础设施及安全通信的过程

1. 网络安全概述

  1. 安全的目标：
    • 保密性：confidentiality
    • 完整性：integrity
    • 可用性：availability
  2. 攻击类型：
    • 威胁保密性的攻击：窃听、通信量分析；
    • 威胁完整性的攻击：更改、伪装、重放、否认
    • 威胁可用性的攻击：拒绝服务（DoS）
  3. 解决方案：
    • 技术（加密和解密）、服务（用于抵御攻击的服务，也即是为了上述安全目标而特地设计的安全服务）
    • 加密和解密：
      • 传统加密方法：替代加密方法、置换加密方法
      • 现代加密方法：现代块加密方法
    • 服务：
      • 认证机制
      • 访问控制机制

2. ssl 协议

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通信协议栈分为 5 层，最上面是应用层，又称为资源子网，关注的是只关心数据是如何组织起来的，传输层及以下又称为通信子网关注的是如何传输数据。

ssl(Secure Sockets Layer) 协议相当于位于应用层与传输层之间的半层，它是可选的，可为所有的应用协议提供可选的安全通信服务。ssl 有众多实现，最著名的开源实现是 OpenSSL，任何想使用安全通信的服务，只要在进行网络传输时调用 OpenSSL 提供的服务即可。以 https 服务为例 http --> ssl --> https。

通过 OpenSSL 实现安全通信的过程其实是非常复杂的，http 与 https 其实是两个独立的服务，http的服务的默认端口是 80，https 则是 443。

2.1 ssl 版本

SSL协议的诞生

Netscape（网景通信公司）在1994年创建了SSL协议的原始规范，但是第一个SSL协议版本因为使用弱加密算法受到密码学界的质疑，所以从来没有公开发布过。Netscape在1995年2月修订了规范，并发布了一个大大改进的版本SSL 2.0协议，虽然SSL 2.0版本被认为是一个相当强大和健壮的协议，但仍存在一些易受攻击的漏洞。

SSL协议更名TLS协议

在1996年，由Netscape和Paul Kocher共同设计的版本SSL 3.0协议发布。SSL(Secure sockets Layer) 3.0协议获得互联网广泛认可和支持，因特网工程任务组（IETF）接手负责该协议，并将其重命名为传输层安全 TLS(Transport Layer Security) 协议。TLS协议的第一个版本（RFC 2246）于1999年1月发布，实质上就是SSL 3.0协议的适度改进版。虽然TLS协议和SSL协议是同一个协议的迭代升级，但是其重命名后在名称上造成的混淆一直延续到今天，业内通常将二者统称为SSL/TLS协议。

当前正在使用的时 TLS 的 V1.0, V1.1, V1.2, V1.3。TLS 采用分层设计

  1. 最底层：基础算法原语的实现，aes, rsa, md5
  2. 向上一层：各种算法的实现；
  3. 再向上一层：组合算法实现的半成品；
  4. 用各种组件拼装而成的各种成品密码学协议软件；

2.2 ssl 开源实现

Linux系统上 ssl 有两个开源实现:OpenSSL(ssl) 和 GPG(pgp)。GPG 是商业软件 pgp 的开源实现。更常用的是 OpenSSL，因此我们主要讲解 OpenSSL。OpenSSL 由三个部分组成:

  1. libencrypto库:加密算法库
  2. libssl库:加密模块应用库，实现了ssl及tls
  3. openssl多用途命令行工具

3. 加密算法和协议

加密算法分为以下几类，它们具有不同的特性，在安全通信中用于不同的安全目标。

  • 对称加密: 数据加密
  • 公钥加密: 数字签名和密钥交换
  • 单向加密: 数据完整性认证
  • 密钥交换: 完成密钥交换的特定协议

3.1 对称加密

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

3.2 公钥加密：

  • 定义: 密钥分为公钥与私钥
    • 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；secret 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；
  • 缺陷：加密时间长
  • 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

3.3 单向加密

  • 定义: 用于提出数据指纹；只能加密，不能解密；
  • 特性：定长输出、雪崩效应；
  • 功能：数据完整性校验；
  • 算法：
    • md5：Message Digest 5, 128bits
    • sha1：Secure Hash Algorithm 1, 160bits
    • sha224, sha256, sha384, sha512

3.4 密钥交换协议

密钥交换协议 IKE（Internet Key Exchange）主要作用是如何在不安全的网络环境中实现密钥交换。 主要有以下算法

  1. RSA，使用公钥加密进行密钥交换
  2. DH算法(迪菲-赫尔曼算法)
  3. ECDH(椭圆曲线DH算法)
  4. ECDHE(临时椭圆曲线DH算法)

DH 算法的密钥交换过程如下所示

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公钥加密
DH（Deffie-Hellman）
A：p, g
B：p, g

A: x
	--> p^x%g ==> B

	A: (p^y%g)^x=p^yx%g

B: y
	--> p^y%g ==> A

	B: (p^x%g)^y=p^xy%g

4. 公钥基础设施与安全通信过程

公钥基础设施主要作用是确保安全的获取通信双方的公钥，要完整了解公钥基础设施与安全通信过程我们得分成两步:

  1. 在已知通信双方公钥的情况下，我们如何安全通信
  2. 公钥基础设施如何确保我们安全拿到对方的公钥

4.1 已知公钥下安全通信过程

A —> B

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A             ----->        B          ---->  作用
-----------------------------------------------------
B公钥加密的                B 私钥解密           密钥交换
对称加密密钥               获取对称密钥
------------------------------------------------------
对称加密的     ------>    使用对称密钥    ----->  数据保密性
传输内容                  解密传输内容
---------------------------------------------------------
A私钥加密的   -------->   使用 A 公钥解密指纹 ---> A 身份验证
传输内容的指纹             重算传输内容指纹
                         对比指纹          --->  数据完整性

A:

  1. A 使用单向加密提取传输内容特征码，并使用自己的私钥加密特征码
  2. A 使用对称密钥加密传输内容
  3. A 使用 B 的公钥加密使用到的对称加密的密钥

B:

  1. B 使用自己的私钥解密获取对称加密的密钥
  2. 使用对称加密密钥解密整个文件内容
  3. 使用 A 的公钥解密获取邮件内容特征码
  4. 使用同样的加密算法提取接收内容的特征码，与解密的特征码对比验证数据完整性

4.2 基于CA获取公钥

A —> B 数字证书交换及验证

  1. 通信双方分别发送 hello 信息给对方，开启 ssl 会化，然后协商后续通信过程使用的加密算法等信息
  2. 双方分别获取对方的数字证书
  3. 通过发行者名称获取本地已经保存的CA的证书，获取CA公钥
  4. 验证CA: 使用 CA 公钥解密发行者签名，认证 CA，并获取数字证书特征码
  5. 验证数字证书完整性: 使用数字证书中签名算法ID表明的单向加密算法重新计算特征码，并与 3 中解密出来的特征码进行比对
  6. 对于主机数字证书，主体名称必须与访问的主机名称(域名) 必须一致，否则也可能不会通过认证

证书验证包括:

  1. 证书内容完整有效
  2. 证书名称与访问服务器是否一致
  3. 证书是否是信任的CA颁发的
  4. 证书是否在有效期内
  5. 证书是否在CA的吊销列表中

通信双方通过 CA 以安全方式获取私钥之后，就可以安全性的进行网络通信了。

更新于 2018-03-03
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