本文原创:中国科学技术大学 张焕杰
修改时间:2019.01.26
领导说:要保障数据安全,做好备份工作。现在预算紧张,有那么多免费的云空间,能否直接备份到云上呢?
各种脚本可以上传/下载云空间文件,只要解决了安全问题,使用云空间备份是可行的。
为了安全,显然要在备份上传前对文件进行加密。说到加密,就离不开两种加解密算法:
对称加解密算法,它的特点是加密和解密操作使用同样的密钥key。
常见的对称加解密算法有AES、3DES等,一般来说性能很高,每秒钟可以加解密100MB字节或更多的信息。
一旦密钥key泄漏,加密的信息就可以被解密,也就是泄漏了。
如果使用对称加密算法加密备份文件,然后再上传到云空间,似乎能解决数据安全问题,但实际上这样做有很大的安全隐患:
对称加解密算法加密时需要密钥key,为了自动化操作,势必要在服务器上存放密钥key。一旦服务器被入侵,密钥key泄漏,之前所有加密的备份文件,都可以被解密而泄漏。
非对称加解密算法,它的特点是加密和解密操作使用不同的密钥。2个密钥成对出现,1个称为私钥(private key)需要私密保存,另1个称为公钥(public key)可以对外公开。
在单独知道公钥的情况下,短时间无法推导或计算出私钥。
常见的非对称加解密算法有RSA、ECC,一般来说加密/解密的性能比对称加解密算法要慢2-3个数量级。
除了简单加解密外,非对称加解密算法还可以完成数字签名、身份认证等工作。
如果说对称加解密是农耕时代,非对称加解密算法则是进入到电气化时代。
对于上述备份加密需求,服务器上可以仅仅存放公钥,备份文件使用公钥加密后上传到云空间。公钥本来就是公开的,即使服务器被入侵,也不会泄漏什么。 需要解密文件时,再拿出单独保存的私钥来完成文件解密操作。
实际使用时,往往采用非对称加解密算法来加密解密文件密钥key,然后通过性能高的对称加解密算法使用文件密钥key完成对文件的快读加解密操作。这样做既保证了安全性,又能提供很高的性能。
以上原理看起来复杂,使用常见的gpg(GnuPGP)软件操作并不复杂,主要包含如下步骤:
- 生成私钥和公钥
- 导出私钥和公钥
- 把公钥导入要备份的服务器
- 加密文件
- 导入私钥
- 解密文件
最早实现加密/解密功能的软件是PGP,但它是商业软件。gpg(GnuPGP)是一个实现了类似PGP功能的开源软件。
以下演示在CentOS 7.0下完成,gpg版本是 2.0.22
在一台安全的机器上,生成私钥和公钥对。由于我们是做备份文件的加密,因此有效期可以设置为0(永不过期)。 期间会提示输入一个密码用来保护私钥,请记住这个密码。私钥将用这个密码加密存放,一但忘记这个密码, 将无法获取到私钥,也就无法解密用公钥加密的文件。
由于需要足够的随机性,生成私钥和公钥的时间比较长,我花了30分钟左右。
# gpg --gen-key
gpg (GnuPG) 2.0.22; Copyright (C) 2013 Free Software Foundation, Inc.
This is free software: you are free to change and redistribute it.
There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.
请选择您要使用的密钥种类:
(1) RSA and RSA (default)
(2) DSA and Elgamal
(3) DSA (仅用于签名)
(4) RSA (仅用于签名)
您的选择? 1
RSA 密钥长度应在 1024 位与 4096 位之间。
您想要用多大的密钥尺寸?(2048)4096
您所要求的密钥尺寸是 4096 位
请设定这把密钥的有效期限。
0 = 密钥永不过期
<n> = 密钥在 n 天后过期
<n>w = 密钥在 n 周后过期
<n>m = 密钥在 n 月后过期
<n>y = 密钥在 n 年后过期
密钥的有效期限是?(0) 0
密钥永远不会过期
以上正确吗?(y/n)y
You need a user ID to identify your key; the software constructs the user ID
from the Real Name, Comment and Email Address in this form:
"Heinrich Heine (Der Dichter) <[email protected]>"
真实姓名:backup user
电子邮件地址:[email protected]
注释:
您选定了这个用户标识:
“backup user <[email protected]>”
更改姓名(N)、注释(C)、电子邮件地址(E)或确定(O)/退出(Q)?o
您需要一个密码来保护您的私钥。
我们需要生成大量的随机字节。这个时候您可以多做些琐事(像是敲打键盘、移动
鼠标、读写硬盘之类的),这会让随机数字发生器有更好的机会获得足够的熵数。
--- 这里等了大约30分钟
gpg: /root/.gnupg/trustdb.gpg:建立了信任度数据库
gpg: 密钥 AC76A983 被标记为绝对信任
公钥和私钥已经生成并经签名。
gpg: 正在检查信任度数据库
gpg: 需要 3 份勉强信任和 1 份完全信任,PGP 信任模型
gpg: 深度:0 有效性: 1 已签名: 0 信任度:0-,0q,0n,0m,0f,1u
pub 4096R/AC76A983 2019-01-26
密钥指纹 = 8762 C5E9 9525 D863 8742 7D06 8C06 2706 AC76 A983
uid backup user <[email protected]>
sub 4096R/339EB9D2 2019-01-26
输入以下命令可以查看生成的私钥和公钥信息。实际上生成了一个主密钥(master key)和一个子密钥(subkey),每个 密钥包含私钥和公钥,其中的sec是主密钥私钥(SECret key),ssb是子密钥私钥(Secret SuBkey),pub是主密钥公钥(PUBlic key), sub是子密钥公钥(public SUBkey)。主密钥是用来对子密钥进行签名的,并不直接使用。
# gpg --list-secret-key
/root/.gnupg/secring.gpg
------------------------
sec 4096R/AC76A983 2019-01-26
uid backup user <[email protected]>
ssb 4096R/339EB9D2 2019-01-26
# gpg --list-key
/root/.gnupg/pubring.gpg
------------------------
pub 4096R/AC76A983 2019-01-26
uid backup user <[email protected]>
sub 4096R/339EB9D2 2019-01-26
执行以下命令可以将私钥和公钥导出成文件:
# gpg --armor --export-secret-keys > sec.key
# gpg --armor --export-secret-subkeys > ssb.key
# gpg --armor --export > pub.key
sec.key 是主密钥和子密钥私钥,ssb.key 是子密钥私钥,这两个文件使用生成密钥时输入的密码加密保存的,切记要保密存放。
pub.key 是两者的公钥,可以公开。 公开公钥最简单的方法是送给key server,如把AC76A983密钥的公钥送给pgp.ustc.edu.cn(中国科大的pgp key server,注意这里的域名是pgp,因为最早的软件是PGP,gpg是GnuPGP)
# gpg --keyserver pgp.ustc.edu.cn --send-key AC76A983
gpg: 将密钥‘AC76A983’上传到 hkp 服务器 pgp.ustc.edu.cn
这时访问 http://pgp.ustc.edu.cn/ ,输入 0xAC76A983,可以查询到对应的公钥信息,内容就是文件 pub.key。
在要备份的机器,即将来要加密文件的机器上,导入公钥。
# gpg --import pub.key
gpg: 密钥 AC76A983:公钥“backup user <[email protected]>”已导入
gpg: 合计被处理的数量:1
gpg: 已导入:1 (RSA: 1)
使用以下命令可以验证公钥已经导入,私钥为空:
# gpg --list-key
/root/.gnupg/pubring.gpg
------------------------
pub 4096R/AC76A983 2019-01-26
uid backup user <[email protected]>
sub 4096R/339EB9D2 2019-01-26
# gpg --list-secret-key
导入的key还不被信任,可以执行以下命令信任这个key,或者在第一次执行加密时,按照提示信任key。
# gpg --edit-key AC76A983
gpg (GnuPG) 2.0.22; Copyright (C) 2013 Free Software Foundation, Inc.
This is free software: you are free to change and redistribute it.
There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.
pub 4096R/AC76A983 创建于:2019-01-26 有效至:永不过期 可用于:SC
信任度:未知 有效性:未知
sub 4096R/339EB9D2 创建于:2019-01-26 有效至:永不过期 可用于:E
[ 未知 ] (1). backup user <[email protected]>
gpg> trust
pub 4096R/AC76A983 创建于:2019-01-26 有效至:永不过期 可用于:SC
信任度:未知 有效性:未知
sub 4096R/339EB9D2 创建于:2019-01-26 有效至:永不过期 可用于:E
[ 未知 ] (1). backup user <[email protected]>
您是否相信这位用户有能力验证其他用户密钥的有效性(查对身份证、通过不同的渠道检查
指纹等)?
1 = 我不知道或我不作答
2 = 我不相信
3 = 我勉强相信
4 = 我完全相信
5 = 我绝对相信
m = 回到主菜单
您的决定是什么?5
您真的要把这把密钥设成绝对信任?(y/N)y
pub 4096R/AC76A983 创建于:2019-01-26 有效至:永不过期 可用于:SC
信任度:绝对 有效性:未知
sub 4096R/339EB9D2 创建于:2019-01-26 有效至:永不过期 可用于:E
[ 未知 ] (1). backup user <[email protected]>
请注意,在您重启程序之前,显示的密钥有效性未必正确,
gpg> quit
导入公钥后,加密文件非常简单,假定要加密的文件是 test.txt,加密后的文件是 test.txt.gpg。
# gpg -e -r backup test.txt
解密文件之前,需要导入私钥。我们仅仅导入子密钥的私钥即可,导入私钥的同时也导入了公钥。 导入的密钥仍旧是加密的,因此这时并未要求输入密码。
# gpg --import ssb.key
gpg: 密钥 AC76A983:私钥已导入
gpg: /root/.gnupg/trustdb.gpg:建立了信任度数据库
gpg: 密钥 AC76A983:公钥“backup user <[email protected]>”已导入
gpg: 合计被处理的数量:1
gpg: 已导入:1 (RSA: 1)
gpg: 读取的私钥:1
gpg: 导入的私钥:1
# gpg --list-key
/root/.gnupg/pubring.gpg
------------------------
pub 4096R/AC76A983 2019-01-26
uid backup user <[email protected]>
sub 4096R/339EB9D2 2019-01-26
# gpg --list-secret-key
/root/.gnupg/secring.gpg
------------------------
sec# 4096R/AC76A983 2019-01-26
uid backup user <[email protected]>
ssb 4096R/339EB9D2 2019-01-26
解密文件就很简单了,以下命令会把 test.txt.gpg 文件解密输出到 test.txt,中间会要求输入密钥的密码。
# gpg -o test.txt -d test.txt.gpg
您需要输入密码,才能解开这个用户的私钥:“backup user <[email protected]>”
4096 位的 RSA 密钥,钥匙号 339EB9D2,建立于 2019-01-26 (主钥匙号 AC76A983)
gpg: 由 4096 位的 RSA 密钥加密,钥匙号为 339EB9D2、生成于 2019-01-26
“backup user <[email protected]>”
# cat test.txt
this is a test file
非对称密钥系统,最需要保护的是私钥。以上操作,虽然使用密码加密保存了私钥,但还是不够安全。
更安全的做法是把私钥除了离线保存(锁在保险柜中)备份外,平时不直接使用私钥, 而是使用一个存有私钥的硬件设备(如Yubikey)。
Yubikey是一个硬件设备,可以单向将私钥导入,无法读取私钥。Yubikey可以利用私钥信息, 实现RSA 4096bit的加密、解密、签名、认证等操作。
每次加密、解密等需要使用私钥参与处理时,还可以增加一个触摸按键人工确认的过程,更加安全可靠。
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