openssl 摘要和签名验证指令dgst使用详解

1、信息摘要和数字签名概述

信息摘要：对数据进行处理，得到一段固定长度的结果，其特点输入：

1、输出长度固定。即输出长度和输入长度无关。

2、不可逆。即由输出数据理论上不能推导出输入数据

4、对输入数据敏感。当输入数据变化极小时，输出数据也会发生明显的变化

5、防碰撞。即不同的数据数据得到相同输出数据的可能性极低。

由于信息摘要有上述特点，一般保证数据的完整性，对一个大文件进行摘要运算，得到其摘要值。通过网络或者其他渠道传输后，通过验证其摘要值，确定大文件本身有没有发生变化。

数字签名：数字签名其实分成两步，首先对原始文件进行摘要运算，得到摘要值，然后使用公开密钥算法中的私钥对摘要值进行加密。其签名和验证过程如下图所示

有数字签名的过程可以知道，对发送信息进行数字签名，可以保证数字签名的完整性、真实性、不可抵赖性。即接收者可以确认消息的来源、消息的真实，发送者不可以抵赖自己发送的消息，与现实生活中签名的作用大致相同。

2、摘要算法和数字签名相关指令及用法

目前openssl提供的摘要算法有md4、md5、ripemd160、sha、sha1、sha224、sha256、sha512、sha384、wirlpool。可以通过openssl dgst -命令查看。

上面我们已经提到了，数字签名分为摘要和加密两部分。在openssl提供的指令中，并没有区分两者。而是在摘要算法指令中包含了签名和校验参数。例如我们适用openssl md5 -命令可以看到它提供的选项有签名和验证等参数。

在openssl中单独使用摘要算法指令完成摘要或者签名操作，也可以通过dgst完成相同的操作。在签名的时候多数使用RSA私钥或者DSA私钥，当使用RSA私钥的时候，我们可以使用单独的摘要算法指令指定摘要算法进行签名，但当使用DSA使用签名的时候，就必须使用dgst指令，因为使用DSA签名的时候必须使用DSA自身的摘要算法，而openssl没有为它提供相应的指令。

/*有明文文件file.txt和RSA密钥RSA.pem*/ xlzh@cmos:~/test$ ls
file.txt  RSA.pem /*使用md5指令指定sha1算法，对file.txt进行签名，生成签名文件sign1.txt*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl md5 -sha1 -sign RSA.pem -out sign1.txt file.txt /*使用md5指令指定sha1算法，对file.txt进行签名，生成签名文件sign1.txt*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -sha1 -sign RSA.pem -out sign2.txt file.txt /*两个签名文件一样，说明两个指令完成相同的功能*/ xlzh@cmos:~/test$ diff sign1.txt sign2.txt

可以看到md5和dgst完成相同的功能。不过让人纠结的是使用md5进行签名的时候可以指定其他摘要算法，笔者觉得太别扭了。所以建议做摘要和签名验证时使用dgst指令，忘记其他……

dgst指令用法介绍如下

xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst - unknown option '-' options are -c              to output the digest with separating colons //输出的摘要信息以分号隔离，和-hex同时使用 -r              to output the digest in coreutils format //指定输出的格式 -d              to output debug info //输出BIO调试信息 -hex            output as hex dump //以16进制打印输出结果 -binary         output in binary form //输出二进制结果 -hmac arg set the HMAC key to arg //指定hmac的key -non-fips-allow allow use of non FIPS digest //允许使用不符合fips标准的摘要算法 -sign   file    sign digest using private key in file //执行签名操作，后面指定私钥文件 -verify file    verify a signature using public key in file //执行验证操作，后面指定公钥文件，与prverfify不能同时使用 -prverify file  verify a signature using private key in file //执行验证操作，后面指定密钥文件，与verfify不能同时使用 -keyform arg    key file format (PEM or ENGINE) //指定密钥文件格式，pem或者engine

-out filename   output to filename rather than stdout //指定输出文件，默认标准输出 -signature file signature to verify //指定签名文件，在验证签名时使用 -sigopt nm:v    signature parameter //签名参数 -hmac key       create hashed MAC with key //制作一个hmac 使用key -mac algorithm  create MAC (not neccessarily HMAC) //制作一个mac -macopt nm:v    MAC algorithm parameters or key //mac算法参数或者key -engine e       use engine e, possibly a hardware device. //使用硬件或者三方加密库 -md4            to use the md4 message digest algorithm //摘要算法使用md4 -md5            to use the md5 message digest algorithm //摘要算法使用md5 -ripemd160      to use the ripemd160 message digest algorithm //摘要算法使用ripemd160 -sha            to use the sha message digest algorithm //摘要算法使用sha -sha1           to use the sha1 message digest algorithm //摘要算法使用sha1 -sha224         to use the sha224 message digest algorithm //摘要算法使用sha223 -sha256         to use the sha256 message digest algorithm //摘要算法使用sha256 -sha384         to use the sha384 message digest algorithm //摘要算法使用sha384 -sha512         to use the sha512 message digest algorithm //摘要算法使用sha512 -whirlpool      to use the whirlpool message digest algorithm //摘要算法使用whirlpool

3、dgst使用示例

1、仅做摘要运算而不做签名操作

/*对file.txt文件使用sha1算法进行hash运算*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -sha1 file.txt 
SHA1(file.txt)= c994aec2a9007221a9b9113b8ab60a60144740c9

/*指定–non-fips-allow参数，与fips标准有关，尚待研究*/

xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst –sha1 –non-fips-allow file.txt 

SHA1(file.txt)= c994aec2a9007221a9b9113b8ab60a60144740c9 

/*指定-d参数,打印调试消息*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -sha1 -d file.txt 
BIO[02469910]:ctrl(6) - FILE pointer
BIO[02469910]:ctrl return 0 BIO[02469910]:ctrl(108) - FILE pointer
BIO[02469910]:ctrl return 1 BIO[02469910]:read(0,8192) - FILE pointer
BIO[02469910]:read return 37 BIO[02469910]:read(0,8192) - FILE pointer
BIO[02469910]:read return 0 SHA1(file.txt)= c994aec2a9007221a9b9113b8ab60a60144740c9
BIO[02469910]:ctrl(1) - FILE pointer
BIO[02469910]:ctrl return 0 BIO[02469910]:Free - FILE pointer /*指定-c -hex参数，以16进制打印结果*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -sha1 -c -hex file.txt 
SHA1(file.txt)= c9:94:ae:c2:a9:00:72:21:a9:b9:11:3b:8a:b6:0a:60:14:47:40:c9 /*指定-r参数，输出结果如下所示，然并卵……*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -sha1 -r file.txt 
c994aec2a9007221a9b9113b8ab60a60144740c9 *file.txt /*指定-binary参数，输入结果为二进制*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -sha1 -binary file.txt 
??©r!??;??
`G@xlzh@cmos:~/test$

2、使用RSA密钥进行签名验证操作

/*摘要算法选取sha256，密钥RSA密钥，对file.txt进行签名*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -sign RSA.pem -sha256 -out sign.txt file.txt /*使用RSA密钥验证签名(prverify参数)，验证成功*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -prverify RSA.pem -sha256 -signature sign.txt file.txt 
Verified OKt /*从密钥中提取公钥*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl rsa -in RSA.pem -out pub.pem -pubout
writing RSA key /*使用RSA公钥验证签名(verify参数)，验证成功*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -verify pub.pem -sha256 -signature sign.txt file.txt 
Verified OK

3、使用DSA密钥进行签名验证操作

/*使用DSA算法，摘要算法sha256，对file.txt进行签名*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -sign DSA.pem -sha256 -out sign.txt file.txt /*使用DSA密钥验证签名*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -prverify DSA.pem -sha256 -signature sign.txt file.txt
Verified OK /*使用DSA算法，摘要算法dss1，对file.txt进行签名*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -sign DSA.pem -dss1 -out sign1.txt file.txt /*使用DSA密钥验证签名*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -prverify DSA.pem -dss1 -signature sign1.txt file.txt
Verified OK /*提取公钥*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dsa -in DSA.pem -out pub.pem -pubout
read DSA key
writing DSA key /*使用DSA公钥验证签名*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -verify pub.pem -dss1 -signature sign1.txt file.txt 
Verified OK /*使用DSA公钥验证签名*/ xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst -verify pub.pem -sha256 -signature sign.txt file.txt 
Verified OK
xlzh@cmos:~/test$

根据dgst man手册的定义，如果使用DSA算法进行签名验证，必须使用dss1摘要算法，但是本实验证明使用其他摘要算法也可以签名验证。此处不明白，希望大牛指点……

4、HMAC的使用

MAC 消息认证码，构造方法可以基于hash，也可以基于对称加密算法，HMAC是基于hash的消息认证码。数据和密钥作为输入，摘要信息作为输出，常用于认证。

xlzh@cmos:~/test$ openssl dgst  -sha256 -hmac 123456 file.txt 
HMAC-SHA256(file.txt)= b8e92990b9fc2ac9b58fde06f4738dceb4fb1fc47b4d2234a9c3f152907b333a

例如用户登录服务器

1、服务器给客户端发送一个随机数

2、客户端使用随机数作为密钥和用户密码做HMAC，结果发送给服务器

3、服务器去除存储的用户密码，也是用随机数与用户密码做HMAC，根据HMAC结果是否一样确认用户身份。