使用openssl命令剖析RSA私鑰文件格式

Openssl提供了強大證書功能，生成密鑰對、證書，頒發證書、生成crl、驗證證書、銷燬證書等。本文將j介紹如何利用openssl的命令分析RSA私鑰文件格式，同時也將簡單介紹幾種常見的私鑰文件格式。

 

1 生成私鑰文件

openssl有多種方法生成私鑰：

• genrsa生成RSA密鑰。
• req在生成req證書請求時同時產生密鑰。
• genpkey除了可以生成RSA密鑰外，還可以生成DSA、DH密鑰。

 這裏我使用genpkey命令生成RSA私鑰文件，選擇DES-EDE3-CBC算法進行加密，口令是1234：

openssl genpkey -algorithm RSA -out privatekey.pem -pass pass:1234 -des-ede3-cbc

命令執行後輸出私鑰文件privatekey.pem，默認輸出爲PEM格式，密鑰長度爲1024，接下來使用文本工具直接打開該文件，可以看到如下內容： 

-----BEGINENCRYPTED PRIVATE KEY-----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-----ENDENCRYPTED PRIVATE KEY-----

私鑰經過PEM編碼後在文件頭尾都添加了標籤，用以說明當前的文件格式。從標籤內容也可以看出私鑰是加密的，因爲有“ENCRYPTED”。中間的私鑰內容是經過BASE64編碼的，這樣方便私鑰的傳遞，例如在網絡上傳輸，數據複製粘貼。

 

例子只是PEM文件格式的其中一種，以下是平時可能會碰到的PEM私鑰格式：

PKCS#8 私鑰加密格式

-----BEGIN ENCRYPTED PRIVATE KEY-----
BASE64私鑰內容
-----ENDENCRYPTED PRIVATE KEY-----

PKCS#8 私鑰非加密格式

-----BEGIN PRIVATE KEY-----
BASE64私鑰內容
-----END PRIVATEKEY-----

Openssl ASN格式

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
Proc-Type: 4,ENCRYPTED
DEK-Info:DES-EDE3-CBC,4D5D1AF13367D726
BASE64私鑰內容
-----END RSA PRIVATE KEY-----

除了以上幾種，還有微軟的PVK格式；以及DER編碼格式，就是在使用PEM編碼前的數據，由於沒有密碼保護，平時很少直接使用。

 

Openssl ASN格式在加密私鑰數據時只能用MD5算法生成key，而且只迭代計算了1次。

所以從1.0.0開始Openssl把PKCS#8格式作爲默認格式，可以爲私鑰文件提供更好的安全性和擴展性。

我們這裏就針對PKCS#8格式的私鑰進行討論。 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 生成或轉換爲PVK格式

openssl rsa -in privatekey.pem -out privatekey.pvk -outform PVK

  

2 分析私鑰文件 

使用asn1parse命令讀取私鑰ASN.1結構，其中–i表示輸出使用縮進格式。

openssl asn1parse -i -in privatekey.pem 

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

ASN.1結構輸出格式說明：

0:d=0  hl=4 l= 710 cons: SEQUENCE

0 表示節點在整個文件中的偏移長度

d=0 表示節點深度

hl=4 表示節點頭字節長度

l=710 表示節點數據字節長度

cons 表示該節點爲結構節點，表示包含子節點或者子結構數據

prim 表示該節點爲原始節點，包含數據

SEQUENCE、OCTETSTRING等都是ASN.1中定義的數據類型，具體可以參考ASN.1格式說明。

 最後一個節點OCTET STRING      [HEX DUMP]，就是加密後的私鑰數據。

爲了方便理解，下面給出相關的PKCS定義。

PCKS#8文件格式定義：

PrivateKeyInfo ::= SEQUENCE {
        version                   Version,
        privateKeyAlgorithm       PrivateKeyAlgorithmIdentifier,
        privateKey                PrivateKey,
        attributes           [0]  IMPLICIT Attributes OPTIONAL }

privateKey，加密後私鑰數據，最後一個OCTET STRING數據塊。

privateKeyAlgorithm，使用的私鑰算法，詳細格式在PKCS#5 2.0中的定義：

PBES2-params ::= SEQUENCE {
       keyDerivationFunc AlgorithmIdentifier {{PBES2-KDFs}},
       encryptionScheme AlgorithmIdentifier {{PBES2-Encs}}
   }

keyDerivationFunc

加密密鑰生成函數，現在默認使用的是sha1，還包含了salt，迭代次數iterationCount：

PBKDF2-params ::= SEQUENCE {
       salt CHOICE {
         specified OCTET STRING,
         otherSource AlgorithmIdentifier {{PBKDF2-SaltSources}}
       },
       iterationCount INTEGER (1..MAX),
       keyLength INTEGER (1..MAX) OPTIONAL,
       prf AlgorithmIdentifier {{PBKDF2-PRFs}} DEFAULT
       algid-hmacWithSHA1
   }

對應數據：
  19:d=3  hl=2 l=  27 cons:   SEQUENCE
  21:d=4  hl=2 l=   9 prim:    OBJECT            :PBKDF2
  32:d=4  hl=2 l=  14 cons:    SEQUENCE
  34:d=5  hl=2 l=   8 prim:     OCTET STRING      [HEX DUMP]:7A61B055165A89CA
  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，該結構中還包含初始化向量iv。

對應數據：
  48:d=3  hl=2 l=  20 cons:   SEQUENCE
  50:d=4  hl=2 l=   8 prim:    OBJECT            :des-ede3-cbc
  60:d=4  hl=2 l=   8 prim:    OCTET STRING      [HEX DUMP]:110E8A184EFEAB9C

解密流程：

            1 按PKCS#8和PCKS#5定義從文件中解析出相關參數：

               加密密鑰生成函數（KDF）PBKDF2；

               加密時使用的salt：7A61B055165A89CA，以及迭代次數iter：0x0800（2048次）；

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

            2 解析出加密的私鑰數據data，也就是最後一個OCTET STRING；

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

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

 

這一解密過程可以使用openssl的pkey命令完成，執行完成後得到privatekey.der文件，這個是沒有加密的私鑰文件，數據是ASN.1格式，並使用DER編碼。

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

  

然後再次分析密鑰數據，由於輸入是der格式，需要使用inform參數說明：

openssl asn1parse -in privatekey.der -inform DER

 

   0:d=0  hl=4 l= 604 cons: SEQUENCE
   4:d=1  hl=2 l=   1 prim: INTEGER           :00
   7:d=1  hl=3 l= 129 prim:INTEGER           :
A11E66B0F965215AB4AD771581700477F62D9EDF2CFEBDF2E20C02DE4E95881F58CA898B6FC389CC83AE39DE95C0252BCF9FB98A6A21A20B751222DF2A4CBE1E08F8BDC8D443A59D4944723C33CED5601E1CF4A324E88B951626326783014CFF3BB7CF7278BF443AB003D1E1608B97CFC7783C6FD42B9A7C8F84C5633FB72DFB
 139:d=1  hl=2 l=   3 prim: INTEGER           :010001
 144:d=1  hl=3 l= 129 prim:INTEGER           :
9B2C9B7CD105AC851EC47E8FB0D541088489D59C5E4A8E88F15ADE1C5B953ABFEE154B39870FCD94B23247BBEF805A8C826FF413B239E8469E9F3404B949A643E1E2CCF9753822FD28345B7898148164DA2D858F672B52C7B3041F0A9F6FFFB97759D3C04AE3ED2E372E4ADD3A44202CE004D189566A81F19239649779F30DE9
 276:d=1  hl=2 l=  65 prim: INTEGER           :
CE25257FDE50AFDAF926BDBEFE5A236C130F2714C5FC0C36A07B5AA5618E8F5039E313387C933A86EBDC2DEF8640069CB98B1D04C3E74B46C75F292A768083D5
 343:d=1  hl=2 l=  65 prim: INTEGER           :
C8159573F6C413EAC0BB721B859A4B7920FF9DE151546CA28FDA3F43A0999C835DB9078AF5054CE503C4BC174ECB1F0C4DE033E116A296FD67B4158F869E628F
 410:d=1  hl=2 l=  64 prim: INTEGER           :
7329855D7DD10DAD02EB85AD216331CEBA87088A2E60B462001D697262A1C5A647F07758631FCCDE7AFD321C519F8B121B05805C9D24A58510F4348728547B51
 476:d=1  hl=2 l=  64 prim: INTEGER           :
53735D203EBDCD28CE35E003C69771FF155A47B92038BC0E993D07C1E70BEA9187D79263CC89E7666549FAC125E5E60F35B3DB2F78475BFE58F06D45AD7A05D5
 542:d=1  hl=2 l=  64 prim: INTEGER           :
4F454C491EAE6CD85ED812D8A26AFD5FD0F6D7DD12AD6D20EDA8C2D257943928B2AE66FDE336F40370D9CC30B85EB2F20D3B4FDAB61D168FE7936CB6AB5E8FE2

 得到的數據與上次導出的格式是相同的，雖然看起來數據多，但是層次結構起始要簡單，數據就是一個結構體（cons）SEQUENCE，包含9個整型的原始數據（prim）INTERGER，這個就是私鑰結構，該 ASN.1結構在PKCS#1中定義如下：

RSAPrivateKey ::= SEQUENCE {
versionVersion,
modulusINTEGER, -- n
publicExponentINTEGER, -- e
privateExponentINTEGER, -- d
prime1INTEGER, -- p
prime2INTEGER, -- q
exponent1INTEGER, -- d mod (p-1)
exponent2INTEGER, -- d mod (q-1)
coefficientINTEGER, -- (inverse of q) mod p
otherPrimeInfosOtherPrimeInfos OPTIONAL
}

最後一個otherPrimeInfos是可選項，例子中沒有該數據。

結構中包含了RSA密鑰算法中用到的所有信息，每一項的具體定義可以參考PKCS#1。

 

3 分析公鑰

 爲了方便獲取公鑰，在私鑰文件數據中起始包含了公鑰信息：

modulus INTEGER, -- n
publicExponent INTEGER, -- e

公鑰的ASN.1結構也在PKCS#1中定義：

RSAPublicKey ::= SEQUENCE  {
  modulus INTEGER, -- n
  publicExponentINTEGER -- e
 }

可以使用openssl命令導出公鑰文件pubkey.pem，使用文本工具打開公鑰文件，pem頭尾格式和私鑰類似的標籤：

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

 

-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQChHmaw+WUhWrStdxWBcAR39i2e
3yz+vfLiDALeTpWIH1jKiYtvw4nMg6453pXAJSvPn7mKaiGiC3USIt8qTL4eCPi9
yNRDpZ1JRHI8M87VYB4c9KMk6IuVFiYyZ4MBTP87t89yeL9EOrAD0eFgi5fPx3g8
b9QrmnyPhMVjP7ct+wIDAQAB
-----END PUBLIC KEY-----

繼續分析公鑰文件的ASN.1格式：

openssl asn1parse -in pubkey.pem -i

 

 0:d=0  hl=3 l= 159 cons: SEQUENCE
 3:d=1  hl=2 l=  13 cons: SEQUENCE
 5:d=2  hl=2 l=   9 prim:  OBJECT            :rsaEncryption
16:d=2  hl=2 l=   0 prim:  NULL
18:d=1  hl=3 l= 141 prim:  BIT STRING

但是這裏顯示格式和上邊給出的PKCS#1格式不一致，其實這是x.509中的定義的格式，在X.509證書文件中就是使用這個格式封裝公鑰數據，其中BIT STRING的內容就是PKCS#1格式的公鑰數據，並說明了使用的公鑰算法rsaEncryption。

SubjectPublicKeyInfo ::=SEQUENCE {
  algorithmAlgorithmIdentifier{{SupportedAlgorithms}},
  subjectPublicKeyBIT STRING
}

 

我們可以進一步使用asn1parse工具解析出BIT STRING內容，首先確定該數據塊偏移是18，然後使用參數-strparse指定位置,可以看到輸出的數據和私鑰文件中的是一樣的。

asn1parse -in pubkey.pem -strparse 18

 輸出公鑰ASN.1格式：

   0:d=0  hl=3 l= 137 cons: SEQUENCE
   3:d=1  hl=3 l= 129 prim: INTEGER           :
A11E66B0F965215AB4AD771581700477F62D9EDF2CFEBDF2E20C02DE4E95881F58CA898B6FC389CC83AE39DE95C0252BCF9FB98A6A21A20B751222DF2A4CBE1E08F8BDC8D443A59D4944723C33CED5601E1CF4A324E88B951626326783014CFF3BB7CF7278BF443AB003D1E1608B97CFC7783C6FD42B9A7C8F84C5633FB72DFB
   135:d=1  hl=2 l=3  prim: INTEGER           :010001

 

4 公私鑰操作

分析完私鑰和公鑰格式，以及之間的關係。接下來我們將繼續使用openssl的rsautl測試它們之間的加解密、簽名、驗證等操作。

測試文件test，內容“1234567890”。

 

4.1加解密

 1）公鑰加密

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

 2）私鑰解密

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

 

比較test和test.dec兩個文件結果相同。

 

4.2簽名驗證

1）私鑰簽名

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

 

2）公鑰驗證

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

 

比較test和test.vfy連個文件應該相同。