专栏文章 RSA 签名的 PSS 模式

qcommunitycloud · 2019年02月14日 · 最后由 qcommunitycloud 回复于 2019年02月15日 · 204 次阅读

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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:

img图1、RSA-PSS的填充模式

相比较PKCS#1 v1.5的padding简单许多:

img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_PADDINGSSLv23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_PADDINGX9.31填充,签名使用)
RSA_PKCS1_PSS_PADDINGRSASSA-PSS填充,签名使用)
RSA_PKCS1_PADDINGRSAES-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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