MarkS Note: PKI,CA,SSL

http://benjr.tw/node/40

PKI(Public Key Infrastructure)
PKI 是一種新的安全技術,它由公開密鑰密碼技術,數位證書,證書發放機構 (CA:Certification Authority) 和公開密鑰的安全策略等基本成分共同組成的.我們先對密鑰密碼技術,數位證書,證書發放機構 (CA) 等來說明.

Random Number
One Way Hashes

md2,md5,mdc2,rmd160,sha,sha1,haval,crc-32 皆是採用 One Way hash

Symmetric Algorithms (對稱式)

DES,3DES,Blowfish,RC2,RC4,RC5,IDEA,CAST5 皆是採用對稱式加密來運作

Asymmetric (Public Key) Algorithms (非對稱式)或稱公鑰密碼演算法

RSA(以 RSA 的創始人Rivest,Shamir,Adelman 為命名 ),就是用 Asymmetric Encryption (非對稱式),RSA 既能用加密(Asymmetric Encryption I )又能用在數位簽名(Asymmetric Encryption II ),是目前提出的公鑰演算法中最容易理解和實現的.

I.Asymmetric Encryption I (非對稱式加密 I )
- 接收端
- 傳送端
- 接收端
II.Asymmetric Encryption II (非對稱式加密 II )也就是數位簽證(Digital Signatures)的方式

傳送端
接收端

III.Combined Signature and Encryption

傳送端
接收端

IV.Detached Signatures

DSA (Digital Signature Algorithm) 使用 Detached Signatures(數字簽證演算法),用作數字簽證標準的一部分)這種方式只能用於數字簽證,無法用在加密中,DSA 採用的 One Way Hash 為 SHA.

而完整的數位簽證(Digital Signatures) 的應用方式如下

現有持証人甲向持証人乙傳送數字信息，為了保証信息傳送的真實性、完整性和不可否認性，需要對要傳送的信息進行數字加密和數字簽名，其傳送過程如下： 1. 甲準備好要傳送的數字信息（明文）。 2. 甲對數字信息進行哈希（hash）運算，得到一個信息摘要。 3. 甲用自己的私鑰（PK）對信息摘要進行加密得到甲的數字簽名，並將其附在數字信息上。 4. 甲隨機產生一個加密密鑰（DES密鑰），並用此密鑰對要發送的信息進行加密，形成密文。 5. 甲用乙的公鑰（PK）對剛才隨機產生的加密密鑰進行加密，將加密的DES密鑰連同密文一起傳送給乙。 6. 乙收到甲傳送過來的密文和加過密的DES密鑰，先用自己的私鑰（SK）對加密的DES密鑰進行解密，得到DES密鑰。 7. 乙然用DES密鑰對收到的密文進行解密，得到明文的數字信息，然將DES密鑰拋棄（即DES密鑰作廢）。 8. 乙用甲的公鑰（PK）對甲的數字簽名進行解密，得到信息摘要。 9. 乙用相同的hash算法對收到的明文再進行一次hash運算，得到一個新的信息摘要。 10.乙將收到的信息摘要和新產生的信息摘要進行比較，如果一致，說明收到的信息沒有被修改過。

但這種方式缺少公正性,很容易被第三者在中間假冒,所以需要公正的第三者來處理,這就是下面要說的 CA.

CA(Certification Authority)

CA(Certificate Authority)

Step 0:前言

I.什麼是憑證

憑證主要是用由三項東西組成的,如下

第一部分是要申請的憑證內容

第二部分是 Public Key

第三部分將剛才的內容(第一二部分)經過 on way hash(如:MD5 , SHA1..)再用他 Root CA 的 Private Key 加密所到的訊息摘要 (Digest Hash) . 這可確定在傳送過程資料不會遭到修改.

II.什麼是認證中心

憑證的簽發必須透過公正的第三者來簽發,這也就是 CA 主要的工作,CA 必須確定申請書的內容和申請人本身的資料是相符合的.

III.什麼是最高層認證中心

SSL 採用的是 X.509,由上至下階層式的評證制度.所以簽章是由你上一層發給你的.作業系統通常會預設好幾個 root ca 所以當使用者遇到由這些 root ca 發出來的憑證就可以直接相信.

Step1 :系統需求

CA 並不是一種伺服器服務,所以他並不需要特別的伺服器程式,他只要 openssl 即可

#rpm -ivh openssl....rpm

Step2 : 建立 Root CA(Certification Authority)

SSL 採用的是 X.509,由上至下階層式的評證制度.因為我們並不與其他的 Root CA 來授與憑證.所以我們也要建立屬於自己的 Root CA.

系統預設 SSL 與 CA 路徑為 /usr/share/ssl 以可以將他搬至 /etc/ssl 下來執行

I.製作 Private Key

#openssl genrsa -des3 -out rootca.key 2048

..............................................................................................................................+++
................................+++
e is 65537 (0x10001)
Enter pass phrase for rootca.key:
Verifying - Enter pass phrase for rootca.key:

以上的指令會產生 2048 bits 的 Private Key ,名稱為 rootca.key ,並且用 des3 的方式加密保護.

#chmod og-rwx rootca.key

建立私鑰後最好將權限加以設限,以免被其他使用者取用.

你可以用下面的指令來看 RSA 產生的 Private Key 內容

#openssl rsa -noout -text -in rootca.key

Enter pass phrase for rootca.key:
Private-Key: (2048 bit)
modulus:
    00:cf:d8:f0:0d:6e:fb:a0:03:30:2c:74:64:42:59:
.......................略..............................
publicExponent: 65537 (0x10001)
privateExponent:
    00:94:cc:54:1e:e9:e3:4e:4c:ba:02:39:59:45:7e:
.......................略..............................
prime1:
    00:e9:26:5d:62:6f:61:1a:f4:15:ca:c4:4d:a8:a8:
.......................略..............................

prime2:
    00:e4:37:be:a8:3e:c0:c9:79:b5:8b:28:06:2a:63:
.......................略..............................
exponent1:
    16:c0:1a:9e:af:55:9f:66:af:f5:b0:40:0f:b4:17:
.......................略..............................
exponent2:
    00:a3:62:81:5d:a4:27:93:56:4e:31:85:02:fc:ff:
.......................略..............................
coefficient:
    00:d2:89:bb:b8:93:8c:03:b8:ca:d3:53:37:20:66:
.......................略..............................

II.填寫憑證申請書

#openssl req -new -key rootca.key -out rootca.csr

Enter pass phrase for rootca.key:
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) [GB]:TW
State or Province Name (full name) [Berkshire]:Taiwan
Locality Name (eg, city) [Newbury]:Taipei
Organization Name (eg, company) [My Company Ltd]:Inventec
Organizational Unit Name (eg, section) []:SIT
Common Name (eg, your name or your server's hostname) []:www.inventec.com
Email Address []:admin@inventec.com

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:
An optional company name []:

至於申請書的內容要填哪些呢!!

Country Name (2 letter code) [GB]:國家代碼,台灣是 TW

State or Province Name (full name) [Berkshire]:省份,你可以直接填台灣 Taiwan
Locality Name (eg, city) [Newbury]: 城市名,你可以填台北 Taipei
Organization Name (eg, company) [My Company Ltd]:你的組織名稱,通常是公司,我這裡填的是英業達 inventec
Organizational Unit Name (eg, section) []:如果你剛填的是公司,那這就是公司部門的名稱
Common Name (eg, your name or your server's hostname) []:如果是伺服器憑證那就填上伺服器的全名(www.inventec.com) .若是 E-mail 憑證那就填上 E-mail.Root CA 填上組織名稱加上 RSA/2048 以供辨識.
Email Address []:這裡請填上你的 e-mail 信箱

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:申請書的密碼,也可以不用設
An optional company name []:代辦憑證的公司名稱,也可以不用設

可用下列指令來看要申請的憑證內容

#openssl req -noout -text -in rootca.csr

Certificate Request:
    Data:
        Version: 0 (0x0)
        Subject: C=TW, ST=Taiwan, L=Taipei, O=Inventec, OU=SIT, CN=www.inventec.
com/emailAddress=admin@inventec.com
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
            RSA Public Key: (2048 bit)
                Modulus (2048 bit):
                    00:cf:d8:f0:0d:6e:fb:a0:03:30:2c:74:64:42:59:
.......................................略.........................................
                Exponent: 65537 (0x10001)
        Attributes:
            a0:00
    Signature Algorithm: md5WithRSAEncryption
        8e:92:8a:97:b2:da:45:eb:ec:25:be:21:cc:dd:00:28:05:26:
.......................................略.........................................

可以看到的他的內容包括下列的東西

第一部分是要申請的憑證內容

第二部分是 Public Key

第三部分將剛才的內容(第一二部分)經過 on way hash(如:MD5 , SHA1..)再用他的 Private Key 加密所到的訊息摘要 (Digest Hash) . 這可確定在傳送過程資料不會遭到修改.

III.簽發憑證

因為要簽發的是 Root CA 已經沒有上一層了,所以只能自己簽給自己

#openssl x509 -req -signkey rootca.key -in rootca.csr -out rootca.crt
Signature ok
subject=/C=TW/ST=Taiwan/L=Taipei/O=Inventec/OU=SIT/CN=www.inventec.com/emailAddress=admin@inventec.com
Getting Private key
Enter pass phrase for rootca.key:

可用下列指令來看要簽章的憑證內容
# openssl x509 -noout -text -in rootca.crt
Certificate:
    Data:
        Version: 1 (0x0)
        Serial Number: 0 (0x0)
        Signature Algorithm: md5WithRSAEncryption
        Issuer: C=TW, ST=Taiwan, L=Taipei, O=Inventec, OU=SIT, CN=www.inventec.com/emailAddress=admin@inventec.com
        Validity
            Not Before: Feb 10 13:31:02 2004 GMT
            Not After : Mar 11 13:31:02 2004 GMT
        Subject: C=TW, ST=Taiwan, L=Taipei, O=Inventec, OU=SIT, CN=www.inventec.com/emailAddress=admin@inventec.com
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
            RSA Public Key: (2048 bit)
                Modulus (2048 bit):
.......................................略.........................................
                Exponent: 65537 (0x10001)
    Signature Algorithm: md5WithRSAEncryption
        58:b4:18:32:f2:e1:c9:b1:37:fd:04:f9:1d:0f:2a:ad:df:9a:
.......................................略.........................................

可以看到的他的內容包括下列的東西

第一部分是要申請的憑證內容

第二部分是 Public Key

憑證建立好之後,申請書就用不到了,所以可以刪除了

#rm rootca.csr

Note:

其實系統有提供寫好的 script 在目錄 /usr/share/ssl/misc 下,你可以直接取用這隻 script "CA" 他的預設值將會對應到 /usr/share/ssl/openssl.conf 檔案.使用方法如下

#./CA -newca

CA certificate filename (or enter to create)

Making CA certificate ...
Generating a 1024 bit RSA private key
.............++++++
........++++++
writing new private key to './demoCA/private/./cakey.pem'
Enter PEM pass phrase:
Verifying - Enter PEM pass phrase:
-----
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) [GB]:TW
State or Province Name (full name) [Berkshire]:Taiwan
Locality Name (eg, city) [Newbury]:Taipei
Organization Name (eg, company) [My Company Ltd]:inventec
Organizational Unit Name (eg, section) []:SIT
Common Name (eg, your name or your server's hostname) []:wwww.inventec.com
Email Address []:admin@inventec.com
這樣就會產生一個 demoCA 的目錄

憑證存放在 /usr/share/ssl/demoCA/cacert.pem

私鑰存放在 /usr/share/ssl/misc/demoCA/private/cakey.pem

如果不滿意這些預設值,你可以直接修改 /usr/share/ssl/openssl.conf 檔案.然後再產生一次就可以了.

Step 3.製作伺服器用的憑證

I.製作 Private Key

# openssl genrsa -out host.key 2048
Generating RSA private key, 2048 bit long modulus
..................................................................................................................+++
............................+++
e is 65537 (0x10001)

我們這裡不用密碼來保護,因為系統開機時有用到這 Private Key 的服務時都會問密碼.如果人在遠端時我們就無法順利開機了.

#chmod og-rwx host.key

建立私鑰後最好將權限加以設限,以免被其他使用者取用.

II.填寫憑證申請書

# openssl req -new -key host.key -out host.csr
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) [GB]:TW
State or Province Name (full name) [Berkshire]:Taiwan
Locality Name (eg, city) [Newbury]:Taipei
Organization Name (eg, company) [My Company Ltd]:TDC
Organizational Unit Name (eg, section) []:SIT
Common Name (eg, your name or your server's hostname) []:www.tdc.com
Email Address []:admin@tdc.com

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:
An optional company name []:

III.簽發憑證

openssl x509 -req -CAserial rootca.srl -CAkey rootca.key -in host.csr -out host.crt -CA rootca.crt
Signature ok
subject=/C=TW/ST=Taiwan/L=Taipei/O=TDC/OU=SIT/CN=www.tdc.com/emailAddress=admin@tdc.com
Getting CA Private Key
Enter pass phrase for rootca.key:

我們要用上一層的 Root CA 來進行簽章的動作.

而這裡的 rootca.srl 只是簽章時給的序號,內容就是號碼(01),憑證有了就可以開始應用了.

憑證建立好之後,申請書就用不到了,所以可以刪除了

#rm host.csr

Step4 :應用

I.htpp with SSL (還沒寫)

SSL(Secure Socket Layer)

Step 0:前言

SSL 是 Netscape 所提出來的資料保密協定,採用了 RC4,MD5,以及 RSA 等加密演算法再加上 CA(Certification Authority) 來確定身份所組成的.

RC4 為 Symmetric Algorithms 對稱式加密的一種,而所謂的對稱式加密就是加密以及解密都是使用同一支鑰匙(single Key)

MD5 為 One Way Hashes 的一種.他主要會產生一組固定長度字串(fingerprint or message digests),這組字串用來比對原資料是否遭到修改.

RSA 為 Asymmetric (Public Key) Algorithms (非對稱式)或稱公鑰密碼演算法的一種.而所謂的非對偁式加密會使用兩把公與私鑰 (Public/Private Key), public key 會當成加密用, Private key 就會當解密用

CA(Certification Authority) 公正的第三者,主要用來驗證公鑰的真假.

note:以上的加解密方式也可以使用不同的其他演算法來取代.如 MD5 可用 SHA1 來取代.... 其他請參考 PKI (Public Key Infrastructure).

Step1:SSL 交易方式

1.所謂的 SSL 就是伺服器端和使用者端的資料都經過加密的方式來傳送,而這之鑰匙就是 RC4 (對稱式加密),而這隻鑰匙是無法透過網路來傳送.因為當別人擷取這把鑰匙時,他也可以用這把鑰匙對你們的資訊加解密.

2.所以此時就可以用 RSA (公私鑰,非對稱式加解密)方式來傳送這把鑰匙,所以一開始時伺服器會把他的公鑰給使用者.經過公鑰將 RC4 產生的鑰匙做加密,然後經由網路傳送,至伺服器端再用 RSA 的私鑰將資料解密還原成原本的 RC4 產生的鑰匙.

note:

看到這你或許會覺得奇怪,為何不用非對稱式的公鑰來做全程的加解密.第一因為非對稱加密的演算法很消耗 CPU 的資源所以不適合大量的資料的加解密,但是對稱式的鑰匙卻很適合大量的資料的加解密,但是他無法直接使用網路上來傳送,因為有可能被擷取,所以對稱式鑰匙被非對稱式的公鑰包在一起,傳送到伺服器端期間,只有伺服器有非對稱式的私鑰能解開.所以能很安全的傳給伺服器.之後的 SSL 連線中都會使用這對稱式的鑰匙加解密.

3.這樣看似安全其實不然,因為使用者無法確定伺服器端的真假(經過假的 DNS Server 使用者可能被導向假的伺服器端),所以使用 CA(Certification Authority) 來進行伺服器端的身份確認.因此伺服器端不只會單給 public key 還會加上數位簽名的憑證.而這東西的內容如下.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Certificate:
    Data:
        Version: 1 (0x0)
        Serial Number: 1 (0x1)
        Signature Algorithm: sha1WithRSAEncryption
        Issuer: C=TW, ST=Taiwan, L=Taipei, O=Verisign, OU=IT, CN=www.verisign.com/emailAddress=admin@verisign.com
        Validity
            Not Before: Feb 9 14:19:35 2004 GMT
            Not After : Feb 6 14:19:35 2014 GMT
        Subject: C=TW, ST=Taipei, L=Taiwan, O=TDC, OU=SIT, CN=www.tdc.com/emailAddress=admin@tdc.com
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption            RSA Public Key: (2048 bit)
                Modulus (2048 bit):
                    00:a8:03:0f:27:3e:52:b6:e7:33:ab:8d:c2:39:13:

...................................略..................................................
                    9e:7b:cc:e1:b5:82:c0:1a:65:27:af:c4:26:01:bf:
                    9b:5f
                Exponent: 65537 (0x10001)
    Signature Algorithm: sha1WithRSAEncryption        a2:76:86:13:b9:42:ee:2b:80:bd:19:70:8f:7f:54:39:ce:00:
...................................略..................................................

7c:a7:00:a3:e1:f8:f9:e4:01:ab:c7:ff:15:fe:d5:fc:b9:33:
c0:b9:82:5f
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

可以看到的他的內容包括下列的東西

第一部分是憑證的內容包括一些是誰簽發給誰的到期日等資訊.

第二部分是伺服器端的 Public Key

第三部分是上一層 CA 在簽發憑證時,將剛才的內容(第一二部分)經過 on way hash(如:MD5 , SHA1..)再用他的 Private Key 加密所到的訊息摘要 (Digest Hash) . 這可確定在傳送過程資料不會遭到修改.

因為這一段訊息摘要是用上一層 CA 的 Private Key 加密,所以使用者端必先要匯入他的 Public Key,後面的範例會再說明.

note:關於數位簽名請參考 PKI(Private Key Infrastructure)

4.使用者端接到這 public key 加上數位簽名的憑證,會先去檢查資料是否遭到修改.

方法如下:

I. 一開始決定用哪些方法加解密的 ,資料訊息包括這些 Signature Algorithm: sha1WithRSAEncryption (這裡是用 SHA1 加上 RSA)

II.先用對方的上一層的公鑰將資料解密.

III.再將第一二部分的資料做出 SHA1 的訊息摘要

IV.比對兩個訊息摘要是否相同,相同則表示訊息未被修改.

V.這時候就可以確定伺服器端身份.

5.然後使用者會產生對稱式鑰匙,並將他得到伺服器端的 Public Key 來加密,等到伺服器端使用者端都有鑰匙後,就使用這鑰匙來進行接下來的交易.

Step2:網頁伺服器與遊覽器之間的 SSL 實際範例

我們先用瀏覽器來看看網頁伺服器加上 SSL 的用戶端是怎麼運作的,先打開瀏覽器去看中國信託的網站 http://www.chinatrust.com.tw/ 並且登入他的網路銀行 ,你會看到如下圖所示:

首先你會看到 http 變成 https ,表示就是 http 使用了 SSL ,而它使用的 port 為 443

你還會看到瀏覽器的右下方多了一個鑰使形狀的東西,把它點兩下,就會完整看到 SSL 的相關訊息

這裡是與公私鑰相關的資訊.

這邊會看到與 CA (Certification Authority)相關的資料.

至於我們的瀏覽器(Explorer or Mozilla....)跟網頁伺服器(IIS or Apache...)之間是怎麼運作的說明如下:

當使用者上網時要和網頁伺服器以 SSL 進行溝通時,網頁伺服器會給使用者他的公鑰,這把鑰匙和私鑰為一對,以公鑰的加密的資料只有私鑰能解開.但是此時使用者卻不能確定中國信託的這把公鑰的真假.因為網站也有可能被假冒,所以要經過公正的第三者 CA(Certification Authority)來確定這鑰匙的真假.

微軟的遊覽器 IE 預設上就已經幫我們設定了一些公正的 CA(Certification Authority),我們可以透過 IE 的工具/網際網路選項/內容/憑證/信任的根憑證授權,如下圖所示:

你會看到好幾個 CA 其中的一個 VeriSign 就是發給中國信託的 CA ,他只檢查數位簽章,經過一番的確認後使用者就會傳送一把對稱式的鑰匙給網頁伺服器,當然這鑰匙也經過網頁伺服器的公鑰加密才傳送出去的.之後的交易都會透過這一把鑰匙的加解密來傳送.

每個環節都必須正確才能讓 SSL 的交易進行下去.其中的 CA 佔有很大的部分.當遊覽器遇到不認識的網頁公鑰.這時遊覽器就會讓使用者來決定是否相信這把公鑰的正確性.你會看到如下圖所示:

解決方式請參考 http with ssl (還沒寫)

MarkS Note

Tuesday, February 1, 2011

PKI,CA,SSL

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