1、非对称加密算法概述
非对称加密算法也称公开密钥算法，其解决了对称加密算法密钥分配的问题，非对称加密算法基本特点如下：
1、加密密钥和解密密钥不同
2、密钥对中的一个密钥可以公开
3、根据公开密钥很难推算出私人密钥
根据非对称加密算法的特点，可用户数字签名、密钥交换、数据加密。但是由于非对称加密算法较对称加密算法加密速度慢很多，故最常用的用途是数字签名和密钥交换。
目前常用的非对称加密算法有RSA, DH和DSA三种，但并非都可以用于密钥交换和数字签名。而是RSA可用于数字签名和密钥交换，DH算法可用于密钥交换，而DSA算法专门用户数字签名。
openssl支持以上三种算法，并为三种算法提供了丰富的指令集，本章主要介绍RSA算法及相关指令
2、RSA算法相关指令及用法
RSA虽然可以数字签名、密钥交换和数据加密，但是RSA加密数据速度慢，通常不使用RSA加密数据。所以最常用的功能就是数字签名和密钥交换，抛开数字签名和密钥交换的概念，实质上就是使用公钥加密还是使用私钥加密的区别。所以我们只要记住一句话：“公钥加密，私钥签名”。
公钥加密：用途是密钥交换，用户A使用用户B的公钥将少量数据加密发送给B，B用自己的私钥解密数据
私钥签名：用途是数字签名，用户A使用自己的私钥将数据的摘要信息加密一并发送给B，B用A的公钥解密摘要信息并验证
opessl中RSA算法指令主要有三个，其他指令虽有涉及，但此处不再详述。
| 指令 | 功能 |
| genrsa | 生成并输入一个RSA私钥 |
| rsa | 处理RSA密钥的格式转换等问题 |
| rsautl | 使用RSA密钥进行加密、解密、签名和验证等运算 |
2.1 genrsa指令说明
genrsa用于生成密钥对，其用法如下
xlzh@cmos:~$ openssl genrsa - usage: genrsa [args] [numbits] //密钥位数，建议1024及以上 -des encrypt the generated key with DES in cbc mode //生成的密钥使用des方式进行加密 -des3 encrypt the generated key with DES in ede cbc mode (168 bit key) //生成的密钥使用des3方式进行加密 -seed encrypt PEM output with cbc seed //生成的密钥还是要seed方式进行 -aes128, -aes192, -aes256 encrypt PEM output with cbc aes //生成的密钥使用aes方式进行加密 -camellia128, -camellia192, –camellia256 encrypt PEM output with cbc camellia //生成的密钥使用camellia方式进行加密 -out file output the key to 'file //生成的密钥文件，可从中提取公钥 -passout arg output file pass phrase source //指定密钥文件的加密口令，可从文件、环境变量、终端等输入 -f4 use F4 (0x10001) for the E value //选择指数e的值，默认指定该项，e值为65537 -3 use 3 for the E value //选择指数e的值，默认值为65537，使用该选项则指数指定为3 -engine e use engine e, possibly a hardware device. //指定三方加密库或者硬件 -rand file:file:... load the file (or the files in the directory) into //产生随机数的种子文件 the random number generator
可以看到genrsa指令使用较为简单，常用的也就有指定加密算法、输出密钥文件、加密口令。我们仅举一个例子来说明
/* * 指定密钥文件rsa.pem * 指定加密算法aes128 * 指定加密密钥123456 * 指定密钥长度1024 **/ xlzh@cmos:~$ openssl genrsa -out rsa.pem -aes128 -passout pass:123456 1024 Generating RSA private key, 1024 bit long modulus ...............................................................++++++ .................................++++++ e is 65537 (0x10001) // 默认模式65537 /*加密后的密钥文件有加密算法等信息*/ xlzh@cmos:~$ cat rsa.pem -----BEGIN RSA PRIVATE KEY----- Proc-Type: 4,ENCRYPTED DEK-Info: AES-128-CBC,4C23682B0D34D339ED7E44819A70B4F9 c9uHqqWbkcw3hjdQ/6fGuJcOFchd4+KfVZoJnnISnJBAhv3CelFAksKb2RKa5GoC 4Eq6SykCCSH8OboPoPBjd1ZdAsDl1Pio0vIJfAoQ4NmaRJ61+6onJ/HAx2NFTDjN yrmsGOWejB6A3MT4KiXrvICnkKMsUY1Qp6ln2qOeVynmxeWAWiVZnjfm0OkScL1K RGSuL32vecN5b1S8fZTYJTS3PQxjmyaw65zLX+8mUObanL9WhSLTz2eo/6xTzRbD iOGMolfP/3ObqIAS3007qV48CtwWrlAa+RpbMVIiESN7BforOaNbh0s5NVuUnXYs hx90iZj2M1L4i5SP8jKBunXPK6CHQtUQXpMH06nhoMNyZPtRQegFgZlwVOpOfoS5 khGAjJPnEXI7ah8oCNYO21JV6SlMFxK1lUeS3xCvM8Cd/zVBSzD7jg+axBJr+LpO rhpmEFkStXHtFo3OK3BoyQHIzYEYH4S59xWO+dfrb2zUvkKsQKkV+TFMSZpr7b7U iegUcK3NrbcWDApfTYmf/edublJBv816to+hYQLhXKfuzP5iMJmjnubhrXrA6S47 7XN6nil9DGWzUEMPnH6Brc8mj7JwFtxdpWDN2pY+VcJ04O98fO08c+4eSS3u0Y9f TyxYy1C9nIWxF+t2Dulq94N4AQ2uyTXoVNhrmDYrJ9BUCugg6zx6xtU24aSGFvtn ikgAU8JCX0GkcwU60tTLSxPNAWhNxJSJ5n7BXaV6QQ1GOiiKQlJAcRv2PMxNqVgK poVq742+awsichrwqE5VIFW9AdSMyIT7w06IogyUrS+0+FmFS6qPtT3ZbFZakzkd -----END RSA PRIVATE KEY----- xlzh@cmos:~$
2.2 rsa指令说明
rsa指令用户管理生成的密钥，其用法如下
xlzh@cmos:~$ openssl rsa - unknown option - rsa [options] <infile >outfile where options are -inform arg input format - one of DER NET PEM //输入文件格式，默认pem格式 -outform arg output format - one of DER NET PEM //输入文件格式，默认pem格式 -in arg input file //输入文件 -sgckey Use IIS SGC key format //指定SGC编码格式，兼容老版本，不应再使用 -passin arg input file pass phrase source //指定输入文件的加密口令，可来自文件、终端、环境变量等 -out arg output file //输出文件 -passout arg output file pass phrase source //指定输出文件的加密口令，可来自文件、终端、环境变量等 -des encrypt PEM output with cbc des //使用des加密输出的文件 -des3 encrypt PEM output with ede cbc des using 168 bit key //使用des3加密输出的文件 -seed encrypt PEM output with cbc seed //使用seed加密输出的文件 -aes128, -aes192, -aes256 encrypt PEM output with cbc aes //使用aes加密输出的文件 -camellia128, -camellia192, -camellia256 encrypt PEM output with cbc camellia //使用camellia加密输出的文件呢 -text print the key in text //以明文形式输出各个参数值 -noout don't print key out //不输出密钥到任何文件 -modulus print the RSA key modulus //输出模数指 -check verify key consistency //检查输入密钥的正确性和一致性 -pubin expect a public key in input file //指定输入文件是公钥 -pubout output a public key //指定输出文件是公钥 -engine e use engine e, possibly a hardware device. //指定三方加密库或者硬件 xlzh@cmos:~$
rsa指令操作示例如下
1、rsa添加和去除密钥的保护口令
/*生成不加密的RSA密钥*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl genrsa -out RSA.pem Generating RSA private key, 512 bit long modulus ..............++++++++++++ .....++++++++++++ e is 65537 (0x10001) /*为RSA密钥增加口令保护*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsa -in RSA.pem -des3 -passout pass:123456 -out E_RSA.pem writing RSA key /*为RSA密钥去除口令保护*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsa -in E_RSA.pem -passin pass:123456 -out P_RSA.pem writing RSA key /*比较原始后的RSA密钥和去除口令后的RSA密钥，是一样*/ xlzh@cmos:~/test$ diff RSA.pem P_RSA.pem
2、修改密钥的保护口令和算法
/*生成RSA密钥*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl genrsa -des3 -passout pass:123456 -out RSA.pem Generating RSA private key, 512 bit long modulus ..................++++++++++++ ......................++++++++++++ e is 65537 (0x10001) /*修改加密算法为aes128，口令是123456*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsa -in RSA.pem -passin pass:123456 -aes128 -passout pass:123456 -out E_RSA.pem writing RSA key
3、查看密钥对中的各个参数
xlzh@cmos:~/test$ openssl rsa -in RSA.pem -des -passin pass:123456 -text -noout
4、提取密钥中的公钥并打印模数值
/*提取公钥，用pubout参数指定输出为公钥*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsa -in RSA.pem -passin pass:123456 -pubout -out pub.pem writing RSA key /*打印公钥中模数值*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsa -in pub.pem -pubin -modulus -noout Modulus=C35E0B54041D78466EAE7DE67C1DA4D26575BC1608CE6A199012E11D10ED36E2F7C651D4D8B40D93691D901E2CF4E21687E912B77DCCE069373A7F6585E946EF
5、转换密钥的格式
/*把pem格式转化成der格式，使用outform指定der格式*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsa -in RSA.pem -passin pass:123456 -des -passout pass:123456 -outform der -out rsa.der writing RSA key /*把der格式转化成pem格式，使用inform指定der格式*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsa -in rsa.der -inform der -passin pass:123456 -out rsa.pem
2.3 rsautl指令说明
上述两个指令是密钥的生成及管理作用，rsautl则是真正用于密钥交换和数字签名。实质上就是使用RSA公钥或者私钥加密。
而无论是使用公钥加密还是私钥加密，RSA每次能够加密的数据长度不能超过RSA密钥长度，并且根据具体的补齐方式不同输入的加密数据最大长度也不一样，而输出长度则总是跟RSA密钥长度相等。RSA不同的补齐方法对应的输入输入长度如下表
| 数据补齐方式 | 输入数据长度 | 输出数据长度 | 参数字符串 |
| PKCS#1 v1.5 | 少于(密钥长度-11)字节 | 同密钥长度 | -pkcs |
| PKCS#1 OAEP | 少于(密钥长度-11)字节 | 同密钥长度 | -oaep |
| PKCS#1 for SSLv23 | 少于(密钥长度-11)字节 | 同密钥长度 | -ssl |
| 不使用补齐 | 同密钥长度 | 同密钥长度 | -raw |
rsautl指令用法如下
xlzh@cmos:~$ openssl rsautl - Usage: rsautl [options] -in file input file //输入文件 -out file output file //输出文件 -inkey file input key //输入的密钥 -keyform arg private key format - default PEM //指定密钥格式 -pubin input is an RSA public //指定输入的是RSA公钥 -certin input is a certificate carrying an RSA public key //指定输入的是证书文件 -ssl use SSL v2 padding //使用SSLv23的填充方式 -raw use no padding //不进行填充 -pkcs use PKCS#1 v1.5 padding (default) //使用V1.5的填充方式 -oaep use PKCS#1 OAEP //使用OAEP的填充方式 -sign sign with private key //使用私钥做签名 -verify verify with public key //使用公钥认证签名 -encrypt encrypt with public key //使用公钥加密 -decrypt decrypt with private key //使用私钥解密 -hexdump hex dump output //以16进制dump输出 -engine e use engine e, possibly a hardware device. //指定三方库或者硬件设备 -passin arg pass phrase source //指定输入的密码
rsautl操作示例如下：
1、使用rsautl进行加密和解密操作
/*生成RSA密钥*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl genrsa -des3 -passout pass:123456 -out RSA.pem Generating RSA private key, 512 bit long modulus ............++++++++++++ ...++++++++++++ e is 65537 (0x10001) /*提取公钥*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsa -in RSA.pem -passin pass:123456 -pubout -out pub.pem writing RSA key /*使用RSA作为密钥进行加密，实际上使用其中的公钥进行加密*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsautl -encrypt -in plain.txt -inkey RSA.pem -passin pass:123456 -out enc.txt /*使用RSA作为密钥进行解密，实际上使用其中的私钥进行解密*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsautl -decrypt -in enc.txt -inkey RSA.pem -passin pass:123456 -out replain.txt /*比较原始文件和解密后文件*/ xlzh@cmos:~/test$ diff plain.txt replain.txt /*使用公钥进行加密*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsautl -encrypt -in plain.txt -inkey pub.pem -pubin -out enc1.txt /*使用RSA作为密钥进行解密，实际上使用其中的私钥进行解密*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsautl -decrypt -in enc1.txt -inkey RSA.pem -passin pass:123456 -out replain1.txt /*比较原始文件和解密后文件*/ xlzh@cmos:~/test$ diff plain.txt replain1.txt
在进行这个实验的时候有个疑惑，为什么相同的明文，使用密钥加密和公钥加密后的密文结果不一样？在网上查询了下，是因为rsa公钥加密的时候根据填充模式填充随机数，导致每次加密结果不同。
2、使用rsautl进行签名和验证操作
/*提取PCKS8格式的私钥*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl pkcs8 -topk8 -in RSA.pem -passin pass:123456 -out pri.pem -nocrypt /*使用RSA密钥进行签名，实际上使用私钥进行加密*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsautl -sign -in plain.txt -inkey RSA.pem -passin pass:123456 -out sign.txt /*使用RSA密钥进行验证，实际上使用公钥进行解密*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsautl -verify -in sign.txt -inkey RSA.pem -passin pass:123456 -out replain.txt /*对比原始文件和签名解密后的文件*/ xlzh@cmos:~/test$ diff plain.txt replain.txt /*使用私钥进行签名*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsautl -sign -in plain.txt -inkey pri.pem -out sign1.txt /*使用公钥进行验证*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsautl -verify -in sign1.txt -inkey pub.pem -pubin -out replain1.txt /*对比原始文件和签名解密后的文件*/ xlzh@cmos:~/test$ cat plain replain1.txt
要注意这里的签名和验证过程其本质上是加解密操作，不是标准意义上的签名和验证。标准意义上签名和验证是需要增加摘要操作的，后续文章再详细阐述。
3、小结
我们可以看到上述指令的参数中有涉及到证书相关的内容，等到后期我们介绍CA相关内容的时候在进行补充。