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使用openssl命令剖析RSA私钥文件格式

分类： 网络与安全

2015-08-11 14:37:43

原文地址：使用openssl命令剖析RSA私钥文件格式 作者：kongkong011

http://blog.csdn.net/zhymax/article/details/7683925

Openssl提供了强大证书功能，生成密钥对、证书，颁发证书、生成crl、验证证书、销毁证书等。本文将j介绍如何利用openssl的命令分析RSA私钥文件格式，同时也将简单介绍几种常见的私钥文件格式。

 

1 生成私钥文件

openssl有多种方法生成私钥：

  • genrsa生成RSA密钥。
  • req在生成req证书请求时同时产生密钥。
  • genpkey除了可以生成RSA密钥外，还可以生成DSA、DH密钥。

 这里我使用genpkey命令生成RSA私钥文件，选择DES-EDE3-CBC算法进行加密，口令是1234：

[plain] view plaincopy
  1. openssl genpkey -algorithm RSA -out privatekey.pem -pass pass:1234 -des-ede3-cbc  


命令执行后输出私钥文件privatekey.pem，默认输出为PEM格式，密钥长度为1024，接下来使用文本工具直接打开该文件，可以看到如下内容： 
[html] view plaincopy
  1. -----BEGINENCRYPTED PRIVATE KEY-----  
  2. MIICxjBABgkqhkiG9w0BBQ0wMzAbBgkqhkiG9w0BBQwwDgQIhrQ3ApYYe1ACAggA  
  3. MBQGCCqGSIb3DQMHBAgyM5zYLuXOdQSCAoAFqnCRqkpoHJTY0BpLeekzjsuzdTOq  
  4. DkgxJMi4WRt1rZNyHqarbhHCZGC9Lug/xbLW5e2ZtjYVJ+ljmFb4lUaAch4nAgoz  
  5. m0J5YyrbFKppiqlk6vkS5hKfpKbWrx5hkQzMt6OsVEQFj2U+EvOI8SVgI6LkjNmh  
  6. 7qokYxv9Inx9joM6agEUY9fXdAu53CyfjpneX95vxUHIn7hHmhxH7MYua619N7x+  
  7. JVA65b3Kj45aH3cnY/kMAQ78EN9aLpqYXzn6j9GRdUd2JMuP0IrYlREw3/z8Qn68  
  8. CwGXzGtkYnlt0xHdOG/tnmKWqBg1cY9uVx6g6JT1BUabqwxVODaMqaSsFr4o3xJo  
  9. 3TTh8TswK0V/+3JLkXtasI7V8cRj2dksccGApujmB5eymU3XXTlX3iXs481I4kmz  
  10. JOZHbqfGOpyzW6WqhMO+LebIkyIGMlCGRiJ3PNSQI9w6bfZ9FoqC6OfFKY1OEmBN  
  11. 6ALtPc+cYXeO5Msx9mbakIYRbcjlVmelPsLyvAceW/09OG909turflvYaGnM+SKd  
  12. KzWn2gFr3YwF57WZlX2jifYUUnjHVMZW7s/k6hgOxcEnvBOg4Ug/cKdNPUEB7tJx  
  13. nvsR+odHypyjgyphLEP8UmEiz3/hnPV8lhLDAPV7fKaK+zDglKqQYF3KBLh55q6h  
  14. PPe1HqahifK9EKqWOl7m1HhFPIZTex4clLy98rB3gyXnL0qx4+A7WD6uLJbU285j  
  15. IWMNq3f1c80ZPrpbhT6hd6Z9zUwfYT6gTO9gIIe4d5KVmfjNaFwSls5zaI6x7AJp  
  16. d/Xl/m1u469+J0rWyeY3D4wtahvZrKMXRrILtJ5OgkWPak2FTyMu/Hs/  
  17. -----ENDENCRYPTED PRIVATE KEY-----  

私钥经过PEM编码后在文件头尾都添加了标签，用以说明当前的文件格式。从标签内容也可以看出私钥是加密的，因为有“ENCRYPTED”。中间的私钥内容是经过BASE64编码的，这样方便私钥的传递，例如在网络上传输，数据复制粘贴。

 

例子只是PEM文件格式的其中一种，以下是平时可能会碰到的PEM私钥格式：

PKCS#8 私钥加密格式

[html] view plaincopy
  1. -----BEGIN ENCRYPTED PRIVATE KEY-----  
  2. BASE64私钥内容  
  3. -----ENDENCRYPTED PRIVATE KEY-----  

PKCS#8 私钥非加密格式
[html] view plaincopy
  1. -----BEGIN PRIVATE KEY-----  
  2. BASE64私钥内容  
  3. -----END PRIVATEKEY-----  

Openssl ASN格式

[html] view plaincopy
  1. -----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----  
  2. Proc-Type: 4,ENCRYPTED  
  3. DEK-Info:DES-EDE3-CBC,4D5D1AF13367D726  
  4. BASE64私钥内容  
  5. -----END RSA PRIVATE KEY-----  


除了以上几种，还有微软的PVK格式；以及DER编码格式，就是在使用PEM编码前的数据，由于没有密码保护，平时很少直接使用。

 

Openssl ASN格式在加密私钥数据时只能用MD5算法生成key，而且只迭代计算了1次。

所以从1.0.0开始Openssl把PKCS#8格式作为默认格式，可以为私钥文件提供更好的安全性和扩展性。

我们这里就针对PKCS#8格式的私钥进行讨论。 如果大家想要研究其他格式，可以使用以下命令：

 genrsa 生成ASN格式

 rsa 生成或转换为PVK格式

[html] view plaincopy
  1. openssl rsa -in privatekey.pem -out privatekey.pvk -outform PVK  
  

2 分析私钥文件 

使用asn1parse命令读取私钥ASN.1结构，其中–i表示输出使用缩进格式。

openssl asn1parse -i -in privatekey.pem 

[html] view plaincopy
  1.  0:d=0  hl=4 l= 710 cons: SEQUENCE  
  2.  4:d=1  hl=2 l=  64 cons: SEQUENCE  
  3.  6:d=2  hl=2 l=   9 prim:  OBJECT            :PBES2  
  4. 17:d=2  hl=2 l=  51 cons:  SEQUENCE  
  5. 19:d=3  hl=2 l=  27 cons:   SEQUENCE  
  6. 21:d=4  hl=2 l=   9 prim:    OBJECT            :PBKDF2  
  7. 32:d=4  hl=2 l=  14 cons:    SEQUENCE  
  8. 34:d=5  hl=2 l=   8 prim:     OCTET STRING      [HEX DUMP]:7A61B055165A89CA  
  9. 44:d=5  hl=2 l=   2 prim:     INTEGER           :0800  
  10. 48:d=3  hl=2 l=  20 cons:   SEQUENCE  
  11. 50:d=4  hl=2 l=   8 prim:    OBJECT            :des-ede3-cbc  
  12. 60:d=4  hl=2 l=   8 prim:    OCTET STRING      [HEX DUMP]:110E8A184EFEAB9C  
  13. 70:d=1  hl=4 l= 640 prim:  OCTET STRING      [HEX DUMP]:  
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  

ASN.1结构输出格式说明：

[html] view plaincopy
  1. 0:d=0  hl=4 l= 710 cons: SEQUENCE  

0 表示节点在整个文件中的偏移长度

d=0 表示节点深度

hl=4 表示节点头字节长度

l=710 表示节点数据字节长度

cons 表示该节点为结构节点，表示包含子节点或者子结构数据

prim 表示该节点为原始节点，包含数据

SEQUENCE、OCTETSTRING等都是ASN.1中定义的数据类型，具体可以参考ASN.1格式说明。

 最后一个节点OCTET STRING      [HEX DUMP]，就是加密后的私钥数据。


为了方便理解，下面给出相关的PKCS定义。

PCKS#8文件格式定义：

[html] view plaincopy
  1. PrivateKeyInfo ::= SEQUENCE {  
  2.         version                   Version,  
  3.         privateKeyAlgorithm       PrivateKeyAlgorithmIdentifier,  
  4.         privateKey                PrivateKey,  
  5.         attributes           [0]  IMPLICIT Attributes OPTIONAL }   


privateKey，加密后私钥数据，最后一个OCTET STRING数据块。


privateKeyAlgorithm，使用的私钥算法，详细格式在PKCS#5 2.0中的定义：
[html] view plaincopy
  1. PBES2-params ::= SEQUENCE {  
  2.        keyDerivationFunc AlgorithmIdentifier {{PBES2-KDFs}},  
  3.        encryptionScheme AlgorithmIdentifier {{PBES2-Encs}}  
  4.    }  


keyDerivationFunc

加密密钥生成函数，现在默认使用的是sha1，还包含了salt，迭代次数iterationCount：

[html] view plaincopy
  1. PBKDF2-params ::= SEQUENCE {  
  2.        salt CHOICE {  
  3.          specified OCTET STRING,  
  4.          otherSource AlgorithmIdentifier {{PBKDF2-SaltSources}}  
  5.        },  
  6.        iterationCount INTEGER (1..MAX),  
  7.        keyLength INTEGER (1..MAX) OPTIONAL,  
  8.        prf AlgorithmIdentifier {{PBKDF2-PRFs}} DEFAULT  
  9.        algid-hmacWithSHA1  
  10.    }  
[html] view plaincopy
  1. 对应数据：  
  2.   19:d=3  hl=2 l=  27 cons:   SEQUENCE  
  3.   21:d=4  hl=2 l=   9 prim:    OBJECT            :PBKDF2    
  4.   32:d=4  hl=2 l=  14 cons:    SEQUENCE  
  5.   34:d=5  hl=2 l=   8 prim:     OCTET STRING      [HEX DUMP]:7A61B055165A89CA  
  6.   44:d=5  hl=2 l=   2 prim:     INTEGER           :0800  
encryptionScheme

加密算法，例子中使用的是des-ede3-cbc，该结构中还包含初始化向量iv。

[html] view plaincopy
  1. 对应数据：  
  2.   48:d=3  hl=2 l=  20 cons:   SEQUENCE  
  3.   50:d=4  hl=2 l=   8 prim:    OBJECT            :des-ede3-cbc  
  4.   60:d=4  hl=2 l=   8 prim:    OCTET STRING      [HEX DUMP]:110E8A184EFEAB9C  

解密流程：

            1 按PKCS#8和PCKS#5定义从文件中解析出相关参数：

               加密密钥生成函数（KDF）PBKDF2；

               加密时使用的salt：7A61B055165A89CA，以及迭代次数iter：0x0800（2048次）；

               加密算法des-ede3-cbc，以及加密初始向量iv：110E8A184EFEAB9C

            2 解析出加密的私钥数据data，也就是最后一个OCTET STRING；

            3 生成加密密钥：key = KDF（pass（1234），salt，iter）

            4 解密 des-ede3-cbc（key， iv， data）

 

这一解密过程可以使用openssl的pkey命令完成，执行完成后得到privatekey.der文件，这个是没有加密的私钥文件，数据是ASN.1格式，并使用DER编码。

Openssl pkey -in privatekey.pem -outform der -out privatekey.der -passin pass:1234

  

然后再次分析密钥数据，由于输入是der格式，需要使用inform参数说明：

openssl asn1parse -in privatekey.der -inform DER

 

[html] view plaincopy
  1.    0:d=0  hl=4 l= 604 cons: SEQUENCE  
  2.    4:d=1  hl=2 l=   1 prim: INTEGER           :00  
  3.    7:d=1  hl=3 l= 129 prim:INTEGER           :  
  4. A11E66B0F965215AB4AD771581700477F62D9EDF2CFEBDF2E20C02DE4E95881F58CA898B6FC389CC83AE39DE95C0252BCF9FB98A6A21A20B751222DF2A4CBE1E08F8BDC8D443A59D4944723C33CED5601E1CF4A324E88B951626326783014CFF3BB7CF7278BF443AB003D1E1608B97CFC7783C6FD42B9A7C8F84C5633FB72DFB  
  5.  139:d=1  hl=2 l=   3 prim: INTEGER           :010001  
  6.  144:d=1  hl=3 l= 129 prim:INTEGER           :  
  7. 9B2C9B7CD105AC851EC47E8FB0D541088489D59C5E4A8E88F15ADE1C5B953ABFEE154B39870FCD94B23247BBEF805A8C826FF413B239E8469E9F3404B949A643E1E2CCF9753822FD28345B7898148164DA2D858F672B52C7B3041F0A9F6FFFB97759D3C04AE3ED2E372E4ADD3A44202CE004D189566A81F19239649779F30DE9  
  8.  276:d=1  hl=2 l=  65 prim: INTEGER           :  
  9. CE25257FDE50AFDAF926BDBEFE5A236C130F2714C5FC0C36A07B5AA5618E8F5039E313387C933A86EBDC2DEF8640069CB98B1D04C3E74B46C75F292A768083D5  
  10.  343:d=1  hl=2 l=  65 prim: INTEGER           :  
  11. C8159573F6C413EAC0BB721B859A4B7920FF9DE151546CA28FDA3F43A0999C835DB9078AF5054CE503C4BC174ECB1F0C4DE033E116A296FD67B4158F869E628F  
  12.  410:d=1  hl=2 l=  64 prim: INTEGER           :  
  13. 7329855D7DD10DAD02EB85AD216331CEBA87088A2E60B462001D697262A1C5A647F07758631FCCDE7AFD321C519F8B121B05805C9D24A58510F4348728547B51  
  14.  476:d=1  hl=2 l=  64 prim: INTEGER           :  
  15. 53735D203EBDCD28CE35E003C69771FF155A47B92038BC0E993D07C1E70BEA9187D79263CC89E7666549FAC125E5E60F35B3DB2F78475BFE58F06D45AD7A05D5  
  16.  542:d=1  hl=2 l=  64 prim: INTEGER           :  
  17. 4F454C491EAE6CD85ED812D8A26AFD5FD0F6D7DD12AD6D20EDA8C2D257943928B2AE66FDE336F40370D9CC30B85EB2F20D3B4FDAB61D168FE7936CB6AB5E8FE2  

 得到的数据与上次导出的格式是相同的，虽然看起来数据多，但是层次结构起始要简单，数据就是一个结构体（cons）SEQUENCE，包含9个整型的原始数据（prim）INTERGER，这个就是私钥结构，该 ASN.1结构在PKCS#1中定义如下：

[html] view plaincopy
  1. RSAPrivateKey ::= SEQUENCE {  
  2. versionVersion,  
  3. modulusINTEGER, -- n  
  4. publicExponentINTEGER, -- e  
  5. privateExponentINTEGER, -- d  
  6. prime1INTEGER, -- p  
  7. prime2INTEGER, -- q  
  8. exponent1INTEGER, -- d mod (p-1)  
  9. exponent2INTEGER, -- d mod (q-1)  
  10. coefficientINTEGER, -- (inverse of q) mod p  
  11. otherPrimeInfosOtherPrimeInfos OPTIONAL  
  12. }  

最后一个otherPrimeInfos是可选项，例子中没有该数据。

结构中包含了RSA密钥算法中用到的所有信息，每一项的具体定义可以参考PKCS#1。

 

3 分析公钥

 为了方便获取公钥，在私钥文件数据中起始包含了公钥信息：

[html] view plaincopy
  1. modulus INTEGER, -- n  
  2. publicExponent INTEGER, -- e  

公钥的ASN.1结构也在PKCS#1中定义：
[html] view plaincopy
  1. RSAPublicKey ::= SEQUENCE  {  
  2.   modulus INTEGER, -- n  
  3.   publicExponentINTEGER -- e  
  4.  }  

可以使用openssl命令导出公钥文件pubkey.pem，使用文本工具打开公钥文件，pem头尾格式和私钥类似的标签：

openssl pkey -in privatekey.der -inform DER -out pubkey.pem-pubout

 

[html] view plaincopy
  1. -----BEGIN PUBLIC KEY-----  
  2. MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQChHmaw+WUhWrStdxWBcAR39i2e  
  3. 3yz+vfLiDALeTpWIH1jKiYtvw4nMg6453pXAJSvPn7mKaiGiC3USIt8qTL4eCPi9  
  4. yNRDpZ1JRHI8M87VYB4c9KMk6IuVFiYyZ4MBTP87t89yeL9EOrAD0eFgi5fPx3g8  
  5. b9QrmnyPhMVjP7ct+wIDAQAB  
  6. -----END PUBLIC KEY-----  

继续分析公钥文件的ASN.1格式：

openssl asn1parse -in pubkey.pem -i

 

[html] view plaincopy
  1.  0:d=0  hl=3 l= 159 cons: SEQUENCE  
  2.  3:d=1  hl=2 l=  13 cons: SEQUENCE  
  3.  5:d=2  hl=2 l=   9 prim:  OBJECT            :rsaEncryption  
  4. 16:d=2  hl=2 l=   0 prim:  NULL  
  5. 18:d=1  hl=3 l= 141 prim:  BIT STRING  


但是这里显示格式和上边给出的PKCS#1格式不一致，其实这是x.509中的定义的格式，在X.509证书文件中就是使用这个格式封装公钥数据，其中BIT STRING的内容就是PKCS#1格式的公钥数据，并说明了使用的公钥算法rsaEncryption。

[html] view plaincopy
  1. SubjectPublicKeyInfo ::=SEQUENCE {  
  2.   algorithmAlgorithmIdentifier{{SupportedAlgorithms}},  
  3.   subjectPublicKeyBIT STRING  
  4. }  
 

我们可以进一步使用asn1parse工具解析出BIT STRING内容，首先确定该数据块偏移是18，然后使用参数-strparse指定位置,可以看到输出的数据和私钥文件中的是一样的。

asn1parse -in pubkey.pem -strparse 18

 输出公钥ASN.1格式：

[html] view plaincopy
  1.    0:d=0  hl=3 l= 137 cons: SEQUENCE  
  2.    3:d=1  hl=3 l= 129 prim: INTEGER           :  
  3. A11E66B0F965215AB4AD771581700477F62D9EDF2CFEBDF2E20C02DE4E95881F58CA898B6FC389CC83AE39DE95C0252BCF9FB98A6A21A20B751222DF2A4CBE1E08F8BDC8D443A59D4944723C33CED5601E1CF4A324E88B951626326783014CFF3BB7CF7278BF443AB003D1E1608B97CFC7783C6FD42B9A7C8F84C5633FB72DFB  
  4.    135:d=1  hl=2 l=3  prim: INTEGER           :010001  
 

4 公私钥操作

分析完私钥和公钥格式，以及之间的关系。接下来我们将继续使用openssl的rsautl测试它们之间的加解密、签名、验证等操作。


测试文件test，内容“1234567890”。

 

4.1加解密

 1）公钥加密

openssl rsautl -encrypt -in test -out test.enc -inkey asn1pub.pem -pubin


 2）私钥解密

openssl rsautl -decrypt -in test.enc -out test.dec -inkey asn1enc.pem

 

比较test和test.dec两个文件结果相同。

 

4.2签名验证

1）私钥签名

openssl rsautl -sign -in test -out test.sig-inkey asn1enc.pem

 

2）公钥验证

openssl rsautl -verify -in test.sig -out test.vfy -inkey asn1pub.pem -pubin

 

比较test和test.vfy连个文件应该相同。

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