使用openssl命令剖析RSA私钥文件格式

时间：2023-03-09 21:31:05
使用openssl命令剖析RSA私钥文件格式

原文 https://blog.****.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：

 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：

  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

  1. -----BEGIN ENCRYPTED PRIVATE KEY-----
  2. BASE64私钥内容
  3. -----ENDENCRYPTED PRIVATE KEY-----

PKCS#8 私钥非加密格式

  1. -----BEGIN PRIVATE KEY-----
  2. BASE64私钥内容
  3. -----END PRIVATEKEY-----

Openssl ASN格式

  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

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

  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：

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：

  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：

  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：

  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. }
  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。

  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 -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

  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：

  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：

  1. modulus INTEGER, -- n
  2. publicExponent INTEGER, -- e

公钥的ASN.1结构也在PKCS#1中定义：

  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

  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

  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。

  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：

  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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