OpenSSL学习笔记及在项目中的使用

OpenSSL官方命令手册：OpenSSL commands - OpenSSL Documentation

参考教程：

操作：OpenSSL的基本使用教程(一）_openssl.exe使用教程-CSDN博客

操作：Linux和Shell回炉复习系列文章总目录 - 骏马金龙 - 博客园 (cnblogs.com)

网站应用：最新OpenSSL简明教程_openssl使用教程-CSDN博客

概念

公钥和私钥

• 公钥：可以公开分享，用于加密数据或验证数字签名。
• 私钥：必须保密，用于解密数据或创建数字签名。
• 关系：公钥和私钥是成对出现的，使用公钥加密的数据只能由对应的私钥解密，反之亦然。

一个完整的RSA私钥包含了以下几个关键参数：

1. 模数（Modulus，N）
2. 公钥指数（Public Exponent，e）
3. 私钥指数（Private Exponent，d）
4. 素数p（Prime 1，p）
5. 素数q（Prime 2，q）
6. 指数dp（Exponent 1，dp）
7. 指数dq（Exponent 2，dq）
8. 系数（Coefficient，qinv）

数字签名

• 数字签名使用私钥创建，确保数据的完整性和来源的真实性。
• 验证签名使用公钥，可以确认数据是否被篡改，并且确认数据确实来自特定的私钥持有者。

数字证书

• 数字证书由受信任的证书颁发机构（CA）签发，包含公钥及其所有者的身份信息。
• 证书用于验证公钥的真实性，确保其属于声明中的持有者。

对称加密和非对称加密

• 对称加密：使用相同的密钥进行加密和解密，例如 AES、DES。
• 非对称加密：使用一对公钥和私钥进行加密和解密，例如 RSA。
• 对称加密速度快，适合大数据量；非对称加密安全性高，适合小数据量。

证书链

• 证书链由一系列证书组成，确保最终用户证书的可信性。
• 包括根证书（CA）、中间证书和最终用户证书。
• 验证证书链时，必须从根证书到最终用户证书逐级验证。

常见文件后缀

.key ：通常用于表示私钥或公钥文件。这个后缀比较通用，可以表示任何类型的加密密钥。 private.key（私钥），public.key（公钥）。

.pub :通常用于表示公钥文件。这个后缀明确指示文件包含公钥。id_rsa.pub（RSA 公钥），id_ecdsa.pub（ECDSA 公钥）。

.pri ：通常用于表示私钥文件。虽然不是标准后缀，但一些系统或工具可能使用这个后缀来标识私钥文件。 private.pri。

.pem ： PEM（Privacy Enhanced Mail）格式文件的标准后缀，通常用于存储证书、私钥、公钥和证书链。文件内容通常以 Base64 编码并用 "-----BEGIN CERTIFICATE-----" 等标头和尾标记。cert.pem（证书），private.pem（私钥），public.pem（公钥）。

.crt ：通常用于表示 X.509 证书文件。这个后缀通常用于证书文件，格式可以是 PEM 或 DER。server.crt（服务器证书），ca.crt（CA 证书）。

.csr ：用于表示证书签名请求（Certificate Signing Request）文件。CSR 文件包含申请证书时的必要信息。request.csr。

.der ：DER（Distinguished Encoding Rules）格式文件的标准后缀，通常用于存储二进制编码的证书或密钥。不同于 PEM 格式，DER 文件是二进制格式，没有 Base64 编码。cert.der（证书），private.der（私钥）。

操作

（零）使用 OpenSSL 的流程

1. 生成密钥对 ：使用 openssl genpkey 和 openssl rsa 生成私钥和公钥。
2. 创建 CSR ：使用 openssl req 创建证书签名请求。
3. 获得数字证书：通过 CA 颁发或自签名生成证书。
4. 加密和签名：使用公钥加密数据，使用私钥签名数据。
5. 解密和验证签名：使用私钥解密数据，使用公钥验证签名。

（一）安装OpenSSL

sudo apt install openssl
openssl version

（二）生成自签名证书

生成一张自签名证书，类似一张独一无二的会员卡。

1. 生成私钥 私钥是证书的核心。首先生成一个2048位的RSA私钥：

   # openssl genpkey: OpenSSL命令，用于生成私钥
   # algorithm RSA: 指定使用RSA算法生成私钥
   # out private.key: 输出文件名为private.key【可选，不写的话就是直接输出到终端】
   # pkeyopt rsa_keygen_bits:2048: 指定生成2048位的RSA密钥
   openssl genpkey -algorithm RSA -out private.key -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048
   
   # 直接使用genrsa命令，就不用指定算法
   openssl genrsa -out genrsa.txt 512
   
   # 这个时候屏幕会出现一堆+.符号，这只是用来表示计算进度的输出
   # 查看私钥内容，是Base64编码格式
   cat private.key
   
   # 解析私钥，输出私钥的详细信息，包括私钥的模数（modulus）等
   openssl pkey -in private.key -text -noout
   
   # check检查私钥文件是否被修改过，如果修改了会输出RSA key not ok
   openssl rsa -in private.key -check
   
   # 输出私钥明文到文件夹中
   openssl rsa -in private.key -text -out private.txt

   加钥私密文件

   # 加密私钥文件，加密的密码为123456
   openssl genrsa -out genrsa.txt -des3 -passout pass:123456 512
   
   # 密码错误，无法加密，必须一致才能加密
   openssl rsa -in genrsa.txt -passin pass:13456 -check

2. 生成证书签名请求（CSR） 使用私钥生成一个CSR文件，这是获得数字证书的关键步骤，CSR包含了申请者的身份信息和公钥

   # openssl req: OpenSSL命令，用于处理证书请求和生成CSR。
   # new: 生成新的CSR。
   # key private.key: 使用之前生成的私钥private.key。
   # out mycsr.csr: 输出文件名为mycsr.csr。
   openssl req -new -key private.key -out mycsr.csr
   
   # 查看CSR内容，包含Subject（组织名称等）、Public Key（公钥）、Signature（用私钥对CSR进行的数字签名，确保CSR未被篡改）
   openssl req -in mycsr.csr -noout -text

   在这个过程中，会被提示输入一些信息，以下字段是必填的：

   1. Country Name (2 letter code):CN
   2. State or Province Name (full name):Guangdong
   3. Locality Name (eg, city):Guangzhou
   4. Organization Name (eg, company):SCNU
   5. Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name):Xuan

   而以下字段是可选的：

   1. Organizational Unit Name (eg, section)
   2. Email Address
   3. A challenge password
   4. An optional company name

3. 生成自签名证书 使用CSR和私钥生成一个有效期为一年的自签名证书：

   # penssl x509: OpenSSL命令，用于管理X.509证书。
   # req: 表示输入是一个证书请求（CSR）。
   # days 365: 证书的有效期为365天。
   # in mycsr.csr: 输入CSR文件mycsr.csr。
   # signkey private.key: 使用private.key私钥进行签名。
   openssl x509 -req -days 365 -in mycsr.csr -signkey private.key -out mycert.crt

（三）基本使用

1. 查看证书信息 使用以下命令查看证书的详细信息：

   # in mycert.crt: 输入证书文件mycert.crt。
   # text: 以文本格式显示证书内容。
   # noout: 不输出证书本身，只显示信息。
   # 数字证书包括版本号、序列号、签名算法、颁发者信息、有效期、持有者信息、公钥、证书扩展、签名等等
   openssl x509 -in mycert.crt -text -noout

2. 加密文件 使用公钥加密一个文件：

   # 从证书中提取公钥
   openssl x509 -pubkey -noout -in mycert.crt > public.key
   
   # 生成测试文本文件，输入sth
   touch plaintext.txt
   / vim plaintext.txt
   
   # openssl rsautl: OpenSSL命令，用于使用RSA算法进行加密、解密操作。
   # encrypt: 进行加密操作。
   # inkey public.key: 使用public.key中的公钥。
   # pubin: 指定输入文件是公钥。
   # in plaintext.txt: 输入要加密的文件plaintext.txt。
   openssl pkeyutl -encrypt -pubin -inkey public.key -in plaintext.txt -out encrypted.dat

3. 解密文件 使用私钥解密文件：

   # openssl pkeyutl: 用于使用RSA算法进行加密、解密操作。【注意3.0.x版本只能用pkeyutl不能用rsault】
   # decrypt: 进行解密操作。
   # inkey private.key: 使用私钥private.key进行解密。
   openssl pkeyutl -decrypt -inkey private.key -in encrypted.dat -out decrypted.txt
   
   # 查看解密后内容，发现和
   cat decrypted.txt

（四）其他使用

1. openssl speed测试加密算法的性能

   openssl speed [md2] [mdc2] [md5] [hmac] [sha1] [rmd160] [idea-cbc] [rc2-cbc] [rc5-cbc] [bf-cbc] [des-cbc] [des-ede3] [rc4] [rsa512] [rsa1024] [rsa2048] [rsa4096] [dsa512] [dsa1024] [dsa2048] [idea] [rc2] [des] [rsa] [blowfish]

2. openssl rand生成伪随机数

   openssl rand [-out file] [-rand file(s)] [-base64] [-hex] num
   
   # 选项说明：
   # -out：指定随机数输出文件，否则输出到标准输出。
   # -rand file：指定随机数种子文件。种子文件中的字符越随机，openssl rand生成随机数的速度越快，随机度越高。
   # -base64：指定生成的随机数的编码格式为base64。
   # -hex：指定生成的随机数的编码格式为hex。
   # - num：指定随机数的长度。
   
   openssl rand -base64 30;
   openssl rand -hex 30;
   openssl rand 30

3. openssl passwd 生成加密的密码

   openssl passwd [-crypt] [-1] [-apr1] [-salt string] [-in file] [-stdin] [-quiet] {password}
   
   # 生成默认的密码哈希（使用 DES 加密）
   openssl passwd -1 "password"
   # 生成使用 SHA-256 的密码哈希
   openssl passwd -6 "password"
   # 生成盐（salt）并使用其生成密码哈希【盐相同，密码相同】
   openssl passwd -salt mysalt -1 "password"
   # 交互式输入密码
   openssl passwd -1

4. openssl dgst 生成和验证数字签名

   openssl dgst [-md5|-sha1|...] [-hex | -binary] [-out filename] [-sign filename] [-passin arg] [-verify filename] [-prverify filename] [-signature filename] [file...]
   
   # -sign filename:使用指定的私钥文件对哈希值进行签名
   # -verify filename:使用指定的公钥文件来验证签名
   # -prverify filename:同上，可以指定密钥文件的密码。
   # -signature filename:指定签名文件，以便与数据一起用于验证签名
   
   # 计算文件.txt 的 SHA-256 哈希并将结果写入 hash.txt 文件：
   dgst -sha256 -hex (-out hash.txt) plaintext.txt 
   
   # 使用私钥对plaintext.txt生成签名，并将签名保存到signature.sig 中【使用-sign签名时绝对不能加-hex，不然后面验签一定会失败】
   openssl dgst -sha256 -sign private.key -out signature.sig plaintext.txt
   
   # 使用公钥 public.key 验证签名 signature.sig，输出verified.ok即签名有效
   openssl dgst -sha256 -verify public.key -signature signature.sig plaintext.txt 
   
   
   # 使用密码保护的私钥
   openssl dgst -sha256 -sign private.key -passin pass:yourpassword -out signature.sig example.txt

5. openssl rsautl和openssl pkeyutl：文件的非对称加密

   rsautl是rsa的工具，相当于rsa、dgst的部分功能集合，可用于生成数字签名、验证数字签名、加密和解密文件。

   pkeyutl是非对称加密的通用工具，大体上和rsautl的用法差不多

...

项目实践

（一）在SpringBoot中使用

1. OpenSSL生成密钥和证书，配置HTTPS

# application.yml
server:
  ssl:
    key-store: classpath:keystore.p12
    key-store-password: yourpassword
    key-store-type: PKCS12
    key-alias: youralias

2. 在JWT中使用（JWT详细介绍可见：浅析JWT原理及牛客出现过的相关面试题-CSDN博客），在Spring Boot应用中使用JWT进行认证和授权时，可以使用生成的私钥和公钥进行签名和验证。

import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;

public class JwtUtil {

    private static final String PRIVATE_KEY = "-----BEGIN PRIVATE KEY-----...-----END PRIVATE KEY-----";
    private static final String PUBLIC_KEY = "-----BEGIN PUBLIC KEY-----...-----END PUBLIC KEY-----";

    // 从PEM格式的字符串中解析并返回私钥
    private static PrivateKey getPrivateKey() throws Exception {
        String privateKeyPEM = PRIVATE_KEY.replace("-----BEGIN PRIVATE KEY-----", "")
                                          .replace("-----END PRIVATE KEY-----", "")
                                          .replaceAll("\\s", "");
        byte[] encoded = Base64.getDecoder().decode(privateKeyPEM);
        PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(encoded);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        return keyFactory.generatePrivate(keySpec);
    }

    // 从PEM格式的字符串中解析并返回公钥
    private static PublicKey getPublicKey() throws Exception {
        String publicKeyPEM = PUBLIC_KEY.replace("-----BEGIN PUBLIC KEY-----", "")
                                        .replace("-----END PUBLIC KEY-----", "")
                                        .replaceAll("\\s", "");
        byte[] encoded = Base64.getDecoder().decode(publicKeyPEM);
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(encoded);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        return keyFactory.generatePublic(keySpec);
    }

    // 使用私钥生成JWT令牌
    public static String generateToken(String subject) throws Exception {
        return Jwts.builder()
                   .setSubject(subject)
                   .signWith(getPrivateKey(), SignatureAlgorithm.RS256)
                   .compact();
    }

    // 使用公钥验证JWT令牌
    public static boolean validateToken(String token) throws Exception {
        Jwts.parserBuilder()
            .setSigningKey(getPublicKey())
            .build()
            .parseClaimsJws(token);
        return true;
    }
}

（二）在区块链项目中使用

使用私钥对交易进行签名。使用Java的Bouncy Castle库进行签名

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import java.security.*;
import java.util.Base64;

public class TransactionSigner {

    static {
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    }

    // 使用私钥对交易数据进行签名
    public static String signTransaction(String transactionData, PrivateKey privateKey) throws Exception {
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA", "BC");
        signature.initSign(privateKey);
        signature.update(transactionData.getBytes());
        byte[] signatureBytes = signature.sign();
        return Base64.getEncoder().encodeToString(signatureBytes);
    }

    // 使用公钥验证交易数据的签名
    public static boolean verifySignature(String transactionData, String signatureStr, PublicKey publicKey) throws Exception {
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA", "BC");
        signature.initVerify(publicKey);
        signature.update(transactionData.getBytes());
        byte[] signatureBytes = Base64.getDecoder().decode(signatureStr);
        return signature.verify(signatureBytes);
    }

    // 从PEM格式的字符串中解析并返回私钥
    public static PrivateKey getPrivateKey(String privateKeyPEM) throws Exception {
        String privateKey = privateKeyPEM.replace("-----BEGIN PRIVATE KEY-----", "")
                                          .replace("-----END PRIVATE KEY-----", "")
                                          .replaceAll("\\s", "");
        byte[] encoded = Base64.getDecoder().decode(privateKey);
        PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(encoded);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        return keyFactory.generatePrivate(keySpec);
    }

    // 从PEM格式的字符串中解析并返回公钥
    public static PublicKey getPublicKey(String publicKeyPEM) throws Exception {
        String publicKey = publicKeyPEM.replace("-----BEGIN PUBLIC KEY-----", "")
                                        .replace("-----END PUBLIC KEY-----", "")
                                        .replaceAll("\\s", "");
        byte[] encoded = Base64.getDecoder().decode(publicKey);
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(encoded);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        return keyFactory.generatePublic(keySpec);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String transactionData = "example transaction data";
        String privateKeyPEM = "-----BEGIN PRIVATE KEY-----...-----END PRIVATE KEY-----";
        String publicKeyPEM = "-----BEGIN PUBLIC KEY-----...-----END PUBLIC KEY-----";

        PrivateKey privateKey = getPrivateKey(privateKeyPEM);
        PublicKey publicKey = getPublicKey(publicKeyPEM);

        String signature = signTransaction(transactionData, privateKey);
        boolean isVerified = verifySignature(transactionData, signature, publicKey);

        System.out.println("Signature: " + signature);
        System.out.println("Signature Verified: " + isVerified);
    }
}

TIPS/BUGS

验证openssl version时报错version not found

背景：在使用openssl version时出现openssl: /lib/x86_64-linux-gnu/libcrypto.so.3: version OPENSSL_3.0.9' not found (required by openssl)

原因：出现这个错误是因为系统中的OpenSSL版本与所需的库版本不匹配。具体来说，系统中的OpenSSL依赖于版本 OPENSSL_3.0.9 的库文件 /lib/x86_64-linux-gnu/libcrypto.so.3，但系统中可能没有这个版本的库文件，或者库文件版本不正确。

解决办法：

# 1. 更新
sudo apt upgrade openssl

# 2. 重装
sudo apt remove --purge openssl
sudo apt install openssl

加密时报错Could not read public key from mycert.crt

意思是在证书中读取不到公钥，这种情况就把公钥提取出来，再用公钥文件加密即可

# 从证书中提取公钥
openssl x509 -pubkey -noout -in mycert.crt > public.key

# 加密
openssl pkeyutl -encrypt -pubin -inkey public.key -in plaintext.txt -out encrypted.dat

openssl genrsa 和openssl genpkey -algorithm rsa有什么区别?

openssl pkey 更通用，可以处理多种私钥

openssl rsa 专门处理RSA密钥

openssl-genpkey - OpenSSL Documentation明确指出应使用genpkey，而不是特定于算法的 genrsa：

The use of the genpkey program is encouraged over the algorithm specific utilities because additional algorithm options and ENGINE provided algorithms can be used.