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OpenSSL中的对称算法(四)

12 Sep 2015 TAGS : [ 技术相关 OpenSSL 对称算法 分组加密模式 DES+3DES ]

前言

最近在读OpenSSL的命令参数,在这个学习过程中发现OpenSSL之中,架构了一个非常庞大的理论系统,结果原以为学习一两天就能学完的基础知识,却学了将近一个月,才学到一些皮毛。

之前整理了一些OpenSSL相关的学习笔记,这篇将涉及一些OpenSSL中对称算法的一些知识。

常见的对称算法

在OpenSSL中提供了多种对称算法(其中多数都为分组加密算法),以供用户使用,常用的对称算法有以下几种:

  1. AES算法:在OpenSSL中提供了AES的多种位数支持,常见的有128位,192位,256位。
  2. Blowfish算法:OpenSSL提供了bf指令,以支持Blowfish算法的各种加解密操作。
  3. CAST5算法:OpenSSL提供了cast指令,以支持CAST5算法的各种加解密操作。
  4. DES算法:OpenSSL提供了des指令,以支持DES算法的各种加解密操作。
  5. IDEA算法:IDEA是一种国际数据加密算法,由DES算法演化而来,目的是为解决DES算法密
  6. 钥太短的缺点,其算法密钥为128位长度。
  7. RC2算法:也是一种分组加密算法,可作为DES算法的替代算法,输入输出均为64位。
  8. RC4算法:这是一种老旧的验证和加密算法,易于受到黑客攻击。
  9. RC5算法:这是一种相对较新的算法。

常用分组加密模式

由于分组加密算法的输入输出均有位数限制,导致无法加密较大的数据,所以日常使用中,会将被加密文件按照算法特性进行分组,每组加密后再拼接在一起形成最终密文。按照分组后的处理方式,将分组算法进行了模式分类,在OpenSSL中有4种常见的分组加密模式,复用于分组加密算法中。以本节介绍中,所有示意图均选自《密码学》,这些图实在太难画了,就用手机照下来的,看不清也凑合看把。。。

ECB

电子密码本模式(Electronic Codebook Mode)。将被加密数据分段,最后一段不足时按照预定模式(补0或补F)补足。将每一段进行加密,加密后的各个段之间互不影响,将各段按顺序连在一起就是加密结果。每一段参与计算的只有”密钥K”,示意图如下所示:

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CBC

密文块链接模式(Cipher Block Chaining Mode)。将被加密数据分段,每一段数据先与前一段数据加密后的密文进行按位模加(XOR:异或),如果当前段为首段数据(即不存在前一段数据)则与初始化向量(iv)进行模加。模加结果同”密钥K”共同进行加密计算得到当前段的密文。每一段参与计算的都有”密钥K”以及”前一段密文/初始化向量”。示意图如下所示:

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CFB

密文反馈模式(Cipher Feedback Mode)。将被加密数据分块(r比特一块),将每一块的加密结果作为下一块的初始化向量IV,将该向量先同 密钥K 做加密计算,计算结果同与下一块的明文进行按位模加(XOR:异或),从而得到当前块的加密结果。下图是一张示意图:

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OFB

输出反馈模式(Output Feedback Mode)。将被加密数据分块(r比特一块),每一块明文只同向量表的左侧r位进行按位模加(XOR:异或)得到密文。每一块密文不对后续计算造成影响,“密钥K”仅对向量表变形发生作用。这也是OFB模式 相对 CFB模式的区别。下图是一张示意图:

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EDE

三重分组加密模式(Encrypt-Decrypt-Encrypt)。将一段数据通过 “加密-解密-加密” 进而生成密文。且这种模式所需密钥可以不止一个(二个不同密钥或三个不同密钥),以提高加密强度。常见的两种加密公式如下: 其中,E( k,P ) 代表: 用密钥 k 对 P 进行加密操作。D( k,C ) 代表: 用密钥 k 对 C 进行解密操作。

二密钥加解密公式如下—-可以看到 1/3 密钥是相同的:

C = E( k1,D( k2,E( k1,P )))
P = D( k1,E( k2,D( k1,C )))

三密钥加解密公式如下—-可以看到3个密钥 各不相同:

C = E( k3,D( k2,E( k1,P )))
P = D( k1,E( k2,D( k3,C )))

参数指令体系(对称算法相关)

OpenSSL支持8种对称加密算法,将这8中对称加密算法同5种加密模式进行糅合,最终形成了OpenSSL中强大的对称加密算法被选选项,下面在命令行下,看一下enc这条指令下支持多少种加密方法,如下图所示:

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从DES加密开始

在OpenSSL中,所有的对称加密指令的格式均是想通的,掌握其中一种即可掌握其他种类的对称加密算法指令,下面先以DES指令作为入门指令,进行介绍。
首先新建一个文件名为beenc.txt 内容为Hello World:

rootkiter@PC:~$ echo "Hello World" > beenc.txt

随后用DES对该文件进行加密(密码为1234):

rootkiter@PC:~$ openssl des -e -in beenc.txt -out bedec -pass pass:1234

加密后使用常用的文件查看指令进行查看可以得到密文的一些特征:

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从cat结果可以看出,加密后的文件,不是可视字符,且以Salted作为文件开头,这意味着密文是加盐的加密结果。而在我们执行的命令中,没有加盐参数,这也表明,加盐操作是默认的。 解密操作是加密的逆操作,在des指令中有另一个名为d的参数设置,由于加密时密码为1234,所以解密时密码同样为1234,指令格式如下所示:

$ openssl des -d -in bedec -out final.txt -pass pass:1234

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可以看到在解密指令中同样没有提到盐值,这证明盐值对于加解密操作是透明的。那么盐值在哪里呢,通过在指令中添加-p参数可以获得加密时的盐值结果:

$ openssl des -e -in beenc.txt -out bedec -pass pass:1234 -p

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从上图可以发现,盐值其实是保存在密文的8-16字节的。这也证明,盐值并不是一个需要保密的值。为什么会这样呢,这是盐值本身的特性决定的。盐值是一个随机数,他会对每次加密后的结果产生影响,导致相同密文下每两次加密产生的密文均不同,这可以在一定程度下对抗彩虹表的分析。

在-p参数下,和盐值被共同输出的两个内容为 key 和 iv,这两个参数的功能又什么呢?

在“分组加密模式”章节中可以发现,很多模式均有“初始化密钥”和“初始化向量”,这两个值与之是相对应的。当我们通过-pass 参数来输入密码时,OpenSSL会将“密码”和“系统随机数”进行一些操作,并从操作结果中提取出“盐值”、“初始化密钥”和“初始化向量”用于后续的加密。这样就让对称算法的密码输入变得简单起来了。

事实上当我们不想主动输入密码时,也可以通过人为指定Key/iv/salt三个参数的值,实现加密,指令格式如下所示:

$ openssl [被选算法名] -e -in beenc.txt -out bedec -S 0x1234 -K AAAAAAAAAAAAAAAA -iv BBBBBBBBBBBBBBBB -p

不过需要注意的是,具体指定的参数是否生效还要看所选择的“分组加密模式”是否支持对应参数。比如初始向量在“电子密码本(ECB)”模式下就没有用到,此时虽然指定了-K和 -iv 的值,但是由于没有使用,同样不会有效果。

指令格式讲解

基本指令格式

在OpenSSL中提供两种交互模式,一种为脚本交互,一种为控制台交互。两种方式的执行效果完全相同只是交互方式略有区别,下面是两种交互模式的样例,它们是完全等价的:
脚本交互

> $ openssl des -e -in beenc.txt -out bedec -pass pass:1234

控制台交互

> $ openssl > OpenSSL> des -e -in beenc.txt -out bedec -pass pass:1234

两者的唯一区别在于:脚本交互方式可以由shell脚本直接调用,而人工操作时,控制台交互模式可以在每一次指令测试时少输入一个openssl程序名。

输入输出说明

OpenSSL的输入输出参数种类很多,下面分别介绍。

  1. 直接由参数指定输入,比如-K/-iv 这种,再配置命令参数时直接输入即可。
  2. 从文件输入输出,比如in/out 这两个参数,就可以用来控制程序的输入输出路径。
  3. 控制台交互输入,在调用指令时由于没有指定输入密码,以及初始密钥等参数,指令就会在执行过程中提示用户输入口令,如下图所示:
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  4. 编码后输出,有时我们希望out选项输出的文件为可读字符内容,即可用cat直接查看的结果,这时就要用到-base64/a 选项,下图是个示例:
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  5. pass选项可以支持5中密码输入方式,他们分别为:
支持的方式 含义
-pass stdin 从控制台读入密码
-pass pass:xxxx 从参数中读入密码密码为xxxx字段的内容
-pass env:passwdvar 从环境变量中读取密码
-pass file:filename 从文件中读入密码
-pass fd:number number是一个文件描述句柄的编号,比如Unix系统中的管道就可以通过这种方式作为命令的输入。

外部加密库的支持

现实使用中,总有人需要外接加密设备(加密机、Ukey等)或软件加密库,为了支持这些设备的加解密模块,OpenSSL提供了engine参数,该参数以设备名称(一般是一个字符串)为输入。如果不知道自己的设备名称可以先通过 engine 的-t参数进行查询。

总结

这篇学习笔记记录了OpenSSL中和对称算法相关的一些操作指令,以及背景知识。

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