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作者：mariolu

一、什么是 PSS 模式？

1.1、两种签名方式之一 RSA-PSS

PSS (Probabilistic Signature Scheme) 私钥签名流程的一种填充模式。目前主流的 RSA 签名包括 RSA-PSS 和 RSA-PKCS#1 v1.5。相对应 PKCS（Public Key Cryptography Standards）是一种能够自我从签名，而 PSS 无法从签名中恢恢复原来的签名。openssl-1.1.x 以后默认使用更安全的 PSS 的 RSA 签名模式。

1.2、填充的必要性

RSA 算法比较慢，一般用于非对称加密的 private key 签名和 public key 验证。因 RSA 算法沒有加入乱数，当出现重复性的原始资料，攻击者会通过相同加密密文而猜测出原文，因此导入 padding 的机制來加強安全性。

TLS 流程中的密钥材料若不进行填充而直接加密，那么显然相同的 key，会得到相同的密文。这种在语义上来说，是不安全的。以下例子说明了无填充模式的安全漏洞。

• m：明文
• e，n：RSA 参数（公钥）
• d：RSA 参数（私钥）
• c：网络传输密文

加密方加密 m：c = m^e mod n，传输 c

解密方解密 c：m = c^d mod n，还原 m

• c'：篡改密文
• k：篡改码

由于 c 在网络上传输，如果网络上有人对其进行 c' = c*k^e mod n，这样的替换

那么解密方将得到的结果是

(c*k^e)d mod n

=（c^d mod n）*（k^ed mod n）

= m*k

即中间人有办法控制 m。

1.3、PSS 的基本要素

使用 PSS 模式的 RSA 签名流程如下：

图 1、RSA-PSS 的填充模式

相比较 PKCS#1 v1.5 的 padding 简单许多：

图 2、RSA-PKCS#v1.5 的填充模式

PSS 的一些概念：

• hash 算法，一般使用 SHA-1
• MGF 函数（mask generation function)。默认是 MGF1。
• salt length，一般由 hLen 决定。当为 0 时，签名值变成了唯一确定的。
• 截断符号，一般是 0xbc

二、RSA 签名实际操作

这节例子中所涉及到的文件说明：

/tmp/wildcard_domain.sports.qq.com.v2.key：私钥

/tmp/pub: 公钥

/tmp/data: 明文

/tmp/endata: 密文

/tmp/sign: 签名

/tmp/de_sign: 解签名

2.1、前期准备：公钥和私钥

• 通过 key 文件提取出 public key

openssl rsa -in /usr/local/services/ssl_agent/ca/wildcard_domain.sports.qq.com.v2.key -pubout -out /tmp/pub

• 原始数据：

echo -n "1234567890" > /tmp/data

• 这样就有一对公钥和私钥，用来测试 RSA 加密解密（encrypt、decrypt）和签名验证（sign，verify）
• RSA 加密的两种算法分别是 RSAES-PKCS-v1_5 and RSAES-OAEP。

2.2、加密和解密（encrypt，decrypt）

• 加密：

openssl rsautl -pubin -inkey /tmp/data -in /tmp/data -encrypt -out /tmp/endata

• 解密，用 private key 解密，得到原本的值：

openssl rsautl -inkey /tmp/wildcard_domain.sports.qq.com.v2.key -in /tmp/en_data -decrypt

2.3、签名和验证（sign, verify）

签名过程包括 hash 和加密。hash 函数一般使用 sha1。这样输入明文，直接生成 sign 签名。

如果是私钥签名所做的事就是先 hash 再加密，选择一种 hash 算法把原始消息计算后成 ASN1 格式，再把这个资料用 private key 加密后送出，资料本身不加密，这种方式主要是用來验证资料来源是否可信任的，送出時把原始资料和签名一起送出。

• 签名：

openssl sha1 -sign /tmp/wildcard_domain.sports.qq.com.v2.key  /tmp/data > /tmp/data/sign/tmp/data/sign

• 解开签名：

openssl rsautl -pubin -inkey /tmp/pub -in sign -verify -out /tmp/de_sign 

用 public key 解开签名，并且保留 padding

openssl rsautl -pubin -inkey /tmp/pub -in /tmp/sign -encrypt -raw -hexdump

使用解开 ASN1 解开签名，或者签名后用 ASN1 工具解析

openssl rsautl -pubin -inkey /tmp/pub -in /tmp/sign -verify -asn1parse

或者：

openssl asn1parse -inform der -in /tmp/de_sign

和本地 sha1 对比

openssl sha1 /tmp/data

如果两者 hash 结果是一样，那么确定签名送过来是正确的。

2.4、openssl rsautl 工具支持的填充模式

openssl rsautl --help，可以看到支持的 padding 模式有，在 rsautl 加上以下选项可以重复做 2.2~2.3 的实验。

-ssl                     Use SSL v2 padding
-raw                     Use no padding
-pkcs                    Use PKCS#1 v1.5 padding (default)
-oaep                    Use PKCS#1 OAEP

三、PSS 填充模式的特点

PSS 是 RSA 的填充模式中的一种。

完整的 RSA 的填充模式包括：

RSA_SSLV23_PADDING（SSLv23填充）
RSA_NO_PADDING（不填充）
RSA_PKCS1_OAEP_PADDING （RSAES-OAEP填充，强制使用SHA1，加密使用）
RSA_X931_PADDING（X9.31填充，签名使用）
RSA_PKCS1_PSS_PADDING（RSASSA-PSS填充，签名使用）
RSA_PKCS1_PADDING（RSAES-PKCS1-v1_5/RSASSA-PKCS1-v1_5填充，签名可使用）

其中主流的填充模式是 PKCS1 和 PSS 模式。

PSS 的优缺点如下：

• PKCS#1 v1.5 比较简易实现，但是缺少 security proof。
• PSS 更安全，所以新版的 openssl-1.1.x 优先使用 PSS 进行私钥签名（具体在 ssl 握手的 server key exchange 阶段）

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