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12 KiB
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# OpenSSL
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> OpenSSL 是开源的 SSL/TLS 工具包，用于实现加密通信和数据安全。
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## 1. 加密算法概述
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### 1.1 对称加密
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**特性**：
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- 加密和解密使用同一个密钥，效率高
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- 将原始数据分割成固定大小的块，逐个进行加密
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**缺陷**：
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- 密钥过多：需要管理大量密钥
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- 密钥分发：安全分发密钥困难
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- 数据来源无法确认
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**常见算法**：
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| 算法 | 密钥长度 | 说明 |
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|------|---------|------|
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| DES | 56 bits | 废弃，安全性低 |
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| 3DES | 168 bits | 废弃，兼容性差 |
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| **AES** | 128/192/256 bits | 当前主流 |
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| Blowfish | 可变 | 开源免费 |
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| Twofish | 128/192/256 bits | AES 候选 |
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**使用示例**：
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```bash
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# 加密
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openssl enc -aes-256-cbc -in plain.txt -out cipher.bin -pass pass:mypassword
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# 解密
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openssl enc -d -aes-256-cbc -in cipher.bin -pass pass:mypassword
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```
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### 1.2 非对称加密（公钥加密）
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#### 1.2.1 基础概念
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**密钥对**：
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- **公钥**（public key）：公开给所有人，用于加密
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- **私钥**（secret key）：自己留存，用于解密/签名
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**功能**：
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- 数据加密：适合加密较小数据（如对称密钥）
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- 数字签名：确认发送方身份
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**缺点**：密钥长、算法复杂、效率低
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#### 1.2.2 加密原理
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```
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接收者 B：
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1. 生成密钥对 (公钥 Pb, 私钥 Sb)
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2. 公开公钥 Pb，保管好私钥 Sb
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发送者 A：
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1. 使用接收者公钥 Pb 加密数据 M
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2. 发送加密数据 Pb(M) 给 B
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接收者 B：
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1. 使用私钥 Sb 解密
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2. 得到原始数据 M = Sb(Pb(M))
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```
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#### 1.2.3 数字签名原理
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```
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发送者 A：
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1. 生成密钥对 (公钥 Pa, 私钥 Sa)
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2. 公开公钥 Pa，保管好私钥 Sa
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3. 使用私钥 Sa 对数据 M 签名
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4. 发送 (M, Sa(M)) 给接收者 B
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接收者 B：
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1. 使用发送者公钥 Pa 验证签名
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2. 验证通过 = 确认数据来自 A 且未被篡改
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```
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> **关键**：私钥签名，公钥验证。签名只能由私钥产生，任何人可用公钥验证。
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#### 1.2.4 常见算法对比
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| 算法 | 密钥长度 | 用途 | 安全性 | 性能 |
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|------|---------|------|--------|------|
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| **RSA** | 2048/4096 bits | 加密/签名 | 高 | 慢 |
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| **DSA** | 1024/2048 bits | 仅签名 | 高 | 快 |
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| **ECC** | 256/384 bits | 加密/签名 | 高 | 快 |
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| **Ed25519** | 256 bits | 仅签名 | 最高 | 最快 |
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#### 1.2.5 RSA 算法详解
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**数学原理**：
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- 基于大整数分解难题
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- 两个大素数相乘容易，但分解乘积困难
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- RSA 取名来自 Rivest、Shamir、Adleman 三位发明者
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**密钥生成过程**：
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```
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1. 选择两个大素数 p 和 q
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2. 计算 n = p × q
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3. 计算 φ(n) = (p-1)(q-1)
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4. 选择 e，满足 1 < e < φ(n) 且 gcd(e, φ(n)) = 1
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5. 计算 d，满足 d × e ≡ 1 (mod φ(n))
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6. 公钥 = (n, e)
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7. 私钥 = (n, d)
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```
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**数学公式**：
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```
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加密：M^e mod n = C
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解密：C^d mod n = M
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签名：H(M)^d mod n = S
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验证：S^e mod n = H(M)
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```
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**密钥长度选择**：
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| 密钥长度 | 安全性 | 推荐场景 |
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|----------|--------|----------|
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| 1024 bits | 不安全 | 已废弃 |
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| 2048 bits | 安全 | 个人/小型业务 |
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| 4096 bits | 高安全 | 金融/政府 |
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#### 1.2.6 ECC（椭圆曲线密码学）
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**优势**：
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- 相同安全强度下，密钥更短
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- 256-bit ECC ≈ 2048-bit RSA
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- 计算更快，资源消耗更低
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**曲线类型**：
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| 曲线 | 密钥长度 | 应用 |
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|------|---------|------|
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| secp256r1 (P-256) | 256 bits | 通用 |
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| secp384r1 (P-384) | 384 bits | 高安全 |
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| secp521r1 (P-521) | 521 bits | 最高安全 |
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**OpenSSL 生成 ECC 密钥**：
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```bash
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# 生成 ECC 私钥（secp256r1）
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openssl genpkey -algorithm EC -out ec Private key.pem -pkeyopt ec_paramgen_curve:secp256r1
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# 生成 ECC CSR
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openssl req -new -key ec_private.key -out request.csr
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# 自签名 ECC 证书
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openssl req -new -x509 -key ec_private.key -out cert.pem
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||
```
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#### 1.2.7 Ed25519（现代签名算法）
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**特点**：
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- 现代签名算法，高性能
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- 密钥短（256 bits），签名短（64 bytes）
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- 安全性极高，无侧信道攻击风险
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**生成密钥**：
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```bash
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# Ed25519 私钥
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openssl genpkey -algorithm ed25519 -out ed25519key.pem
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# 自签名证书
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openssl req -new -x509 -key ed25519key.pem -out cert.pem
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```
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#### 1.2.8 非对称加密实战
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**RSA 加密文件**：
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```bash
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# 方法1：使用公钥加密
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openssl rsautl -encrypt -pubin -inkey pub.key -in plaintext.txt -out ciphertext.bin
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# 方法2：使用私钥签名
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openssl rsautl -sign -inkey priv.key -in data.txt -out signature.bin
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```
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**AES 密钥交换（混合加密）**：
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```bash
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# 1. 生成随机 AES 密钥
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openssl rand -hex 32 > aes.key
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# 2. 用接收者公钥加密 AES 密钥
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openssl rsautl -encrypt -pubin -inkey recipient_pub.key -in aes.key -out aes.key.enc
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# 3. 用 AES 加密数据
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openssl enc -aes-256-cbc -in data.txt -out data.enc -pass file:aes.key
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# 接收者解密
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# 1. 用私钥解密 AES 密钥
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openssl rsautl -decrypt -inkey recipient_priv.key -in aes.key.enc -out aes.key
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# 2. 用 AES 解密数据
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openssl enc -d -aes-256-cbc -in data.enc -pass file:aes.key
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```
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#### 1.2.9 算法选择建议
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| 场景 | 推荐算法 | 原因 |
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|------|---------|------|
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| HTTPS/TLS | ECDHE + RSA/ECDSA | 性能与安全平衡 |
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| 代码签名 | Ed25519 或 RSA-2048 | 高安全性 |
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| 文档签名 | Ed25519 | 快速、签名短 |
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| 密钥交换 | ECDH 或 RSA | 成熟稳定 |
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| IoT 设备 | ECC | 资源受限 |
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## 2. 非对称加密算法详解
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### 2.1 RSA
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**生成 RSA 密钥**：
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```bash
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# 标准 RSA 私钥（2048位）
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openssl genrsa -out rsa_private.key 2048
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# 带密码保护的 RSA 私钥
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openssl genrsa -aes256 -out rsa_private.key 2048
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# 提取公钥
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openssl rsa -in rsa_private.key -pubout -out rsa_public.key
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# 查看密钥信息
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openssl rsa -in rsa_private.key -noout -text
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```
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**加解密**：
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```bash
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# 加密（使用公钥）
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openssl rsautl -encrypt -pubin -inkey pub.key -in plaintext.txt -out encrypted.bin
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# 解密（使用私钥）
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openssl rsautl -decrypt -inkey priv.key -in encrypted.bin -out decrypted.txt
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# 签名（使用私钥）
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openssl rsautl -sign -inkey priv.key -in data.txt -out signature.bin
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# 验证（使用公钥）
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||
openssl rsautl -verify -pubin -inkey pub.key -in signature.bin -signed data.txt
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```
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### 2.2 DSA
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> DSA 仅用于签名，不能加密解密。
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```bash
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# 生成 DSA 参数
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openssl dsaparam -out dsaparam.pem 2048
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# 生成 DSA 私钥
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openssl gendsaparam dsaparam.pem -out dsa_private.key
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# 生成 CSR
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openssl req -new -key dsa_private.key -out request.csr
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# 签名
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||
openssl dgst -sha256 -sign dsa_private.key -out signature.bin data.txt
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||
```
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### 2.3 DH（密钥交换）
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```bash
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# 生成 DH 参数
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openssl dhparam -out dhparam.pem 2048
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# 生成 DH 私钥
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openssl genpkey -paramfile dhparam.pem -out dh_private.key
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# 提取公钥
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||
openssl pkey -in dh_private.key -pubout -out dh_public.key
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```
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## 3. 单向哈希算法
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### 3.1 基础概念
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将任意数据转换为固定长度的"指纹"（摘要）。
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**特性**：
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- 任意长度输入，固定长度输出
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- 雪崩效应：数据微小改变，指纹变化巨大
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- 单向性：无法从指纹恢复原数据
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### 3.2 常见算法
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| 算法 | 输出长度 | 安全性 |
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|------|---------|--------|
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| md5 | 128 bits | 不安全，仅用于兼容性 |
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| sha1 | 160 bits | 弱安全，不推荐 |
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| sha256 | 256 bits | 推荐 |
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| sha512 | 512 bits | 推荐 |
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| blake2b | 可变 | 高性能，高安全 |
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### 3.3 常用命令
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```bash
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echo -n "hello" | md5sum
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sha256sum file
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openssl dgst -sha256 file
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带密钥的哈希（HMAC）
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||
openssl dgst -sha256 -hmac "mykey" file
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```
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## 4. 密钥交换
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### 4.1 DH（Diffie-Hellman）
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让双方通过不安全信道建立共享密钥。
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**原理**：
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```
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A: 选取 g, p → 计算 g^a%p → 发送给 B
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B: 选取 g, p → 计算 g^b%p → 发送给 A
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A: 计算 (g^b%p)^a%p = g^ab%p → 密钥
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B: 计算 (g^a%p)^b%p = g^ab%p → 密钥
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```
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> 私密数据 a、b 在生成密钥后丢弃，不长期存储，安全性高。
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### 4.2 ECDH（椭圆曲线 DH）
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更短密钥，更高安全性。
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## 5. TLS/SSL 协议
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### 5.1 协议版本
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| 版本 | 年份 | 状态 |
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|------|------|------|
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| SSL 1.0 | 1994 | 从未公开 |
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| SSL 2.0 | 1995 | 废弃，有漏洞 |
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| SSL 3.0 | 1996 | 废弃（POODLE） |
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| TLS 1.0 | 1999 | 废弃（BEAST） |
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| TLS 1.1 | 2006 | 废弃 |
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| **TLS 1.2** | 2008 | 推荐 |
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| **TLS 1.3** | 2018 | 当前最佳 |
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### 5.2 TLS 1.3 改进
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- 更快的握手（1-RTT / 0-RTT）
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- 移除不安全算法（MD5、SHA1、RC4）
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- 前向保密（FS）强制
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- 简化密码套件
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### 5.3 密码套件格式
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```
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TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384
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│ │ │ │ │
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│ │ │ │ 摘要算法
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│ │ │ 对称加密算法
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||
│ │ 密钥协商算法
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||
│ 签名算法
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||
密钥交换算法
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```
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## 6. CA 与证书
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### 6.1 PKI 架构
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```
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CA（证书颁发机构）
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├── Root CA（根CA）- 自签，可信锚点
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├── Intermediate CA（中间CA）- 签名子CA
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└── 最终用户/服务器
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```
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### 6.2 证书格式
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| 格式 | 说明 |
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|------|------|
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| PEM | Base64 文本 |
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| DER | 二进制 |
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| PKCS#12 | 含私钥（.pfx/.p12） |
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| PKCS#7 | 证书链（.p7b/.p7c） |
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### 6.3 自建 CA 与证书管理
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```bash
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||
# 创建目录
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mkdir -p /etc/pki/CA/{certs,crl,newcerts,private}
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touch /etc/pki/CA/index.txt
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||
echo 01 > /etc/pki/CA/serial
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||
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||
# CA 私钥
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||
openssl genrsa -aes256 -out /etc/pki/CA/private/cakey.pem 2048
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||
# 自签 CA
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||
openssl req -new -x509 -key /etc/pki/CA/private/cakey.pem -out /etc/pki/CA/cacert.pem -days 3650
|
||
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||
# 用户申请证书
|
||
openssl genrsa -out user.key 2048
|
||
openssl req -new -key user.key -out user.csr
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||
openssl ca -in user.csr -out user.crt -days 365
|
||
```
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||
|
||
### 6.4 证书吊销
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||
|
||
```bash
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||
# 吊销证书
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||
openssl ca -revoke /etc/pki/CA/newcerts/11.pem
|
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|
||
# 查看状态
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||
openssl ca -status 11
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||
|
||
# 生成 CRL
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||
openssl ca -gencrl -out /etc/pki/CA/crl/crl.pem
|
||
```
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||
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---
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||
## 7. 实战应用
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||
### 7.1 生成强密钥
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```bash
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# RSA 4096位
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||
openssl genrsa -aes256 4096 > server.key
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||
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||
# ECC
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||
openssl genpkey -algorithm EC -out ec.key -pkeyopt ec_paramgen_curve:secp256r1
|
||
|
||
# Ed25519
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||
openssl genpkey -algorithm ed25519 -out ed25519.key
|
||
```
|
||
|
||
### 7.2 测试 TLS 连接
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||
|
||
```bash
|
||
openssl s_client -connect example.com:443 -showcerts
|
||
openssl s_client -tls1_2 -connect example.com:443
|
||
```
|
||
|
||
### 7.3 随机数与哈希
|
||
|
||
```bash
|
||
openssl rand -hex 32
|
||
openssl dgst -sha256 file
|
||
```
|
||
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||
---
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||
## 8. 常用命令速查
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||
### 8.1 密钥操作
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| 场景 | 命令 |
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|------|------|
|
||
| 生成 RSA 私钥 | `openssl genrsa -out key.pem 2048` |
|
||
| 生成 RSA 私钥（带密码） | `openssl genrsa -aes256 -out key.pem 2048` |
|
||
| 提取公钥 | `openssl rsa -in key.pem -pubout -out pub.key` |
|
||
| 查看密钥 | `openssl rsa -in key.pem -noout -text` |
|
||
|
||
### 8.2 证书操作
|
||
|
||
| 场景 | 命令 |
|
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|------|------|
|
||
| 生成 CSR | `openssl req -new -key key.pem -out req.csr` |
|
||
| 自签证书 | `openssl req -new -x509 -key key.pem -out cert.pem` |
|
||
| CA 签发 | `openssl ca -in req.csr -out cert.pem` |
|
||
| 验证证书 | `openssl verify -CAfile ca.pem cert.pem` |
|
||
| 查看证书 | `openssl x509 -in cert.pem -noout -text` |
|
||
|
||
### 8.3 加密/签名
|
||
|
||
| 场景 | 命令 |
|
||
|------|------|
|
||
| RSA 加密 | `openssl rsautl -encrypt -pubin -inkey pub.key -in f.txt -out f.enc` |
|
||
| RSA 解密 | `openssl rsautl -decrypt -inkey priv.key -in f.enc -out f.txt` |
|
||
| 签名 | `openssl dgst -sha256 -sign priv.key -out sig.bin data.txt` |
|
||
| 验证 | `openssl dgst -sha256 -verify pub.key -signature sig.bin data.txt` |
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---
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## 9. 小结
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| 类别 | 用途 | 推荐算法 |
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|------|------|----------|
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| 对称加密 | 数据加密 | AES-256 |
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| 非对称加密 | 密钥交换 | RSA-2048 / ECDH |
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| 数字签名 | 身份认证 | Ed25519 / RSA-2048 / ECDSA |
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| 单向哈希 | 完整性校验 | SHA-256 |
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| 密钥交换 | 协商会话密钥 | ECDH / X25519 |
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掌握非对称加密的核心概念：
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- **公钥加密，私钥解密**：保密通信
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- **私钥签名，公钥验证**：身份认证
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- **混合加密**：用对称加密数据，用非对称加密密钥，兼顾效率与安全
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||
> 生产环境推荐：TLS 1.3 + ECDHE-ECDSA + AES-256-GCM + SHA-384 |