不安全網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)安全傳輸利器——GnuPG
原創(chuàng)1 GnuPG簡介
隨著網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)交換的安全性、完整性和一致性已經(jīng)變得越來越重要。如何保證在不安全的網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)的安全性成為網(wǎng)絡(luò)信息安全界研究的熱點(diǎn)和經(jīng)典問題。本文將通過具體的加解密實(shí)例向用戶來介紹一種Linux下的基于PGP（Pretty Good Privacy）機(jī)制的加密及簽名軟件——GnuPG，包括密鑰生成、公鑰導(dǎo)出、加密文件、解密文件、對(duì)文件進(jìn)行數(shù)字簽名等重要步驟，通過它可以極大地保證網(wǎng)絡(luò)用戶傳輸及使用數(shù)據(jù)的安全性。并且，用戶可以通過靈活運(yùn)用本文的技術(shù)來對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳送的文檔、電子郵件等進(jìn)行安全傳輸。
PGP（Pretty Good Privacy），是一個(gè)基于RSA公鑰加密體系的郵件加密軟件。它不但可以對(duì)用戶的數(shù)據(jù)保密以防止非授權(quán)者閱讀，還能對(duì)你的郵件加上數(shù)字簽名從而使收信人確信郵件是由你發(fā)出。讓人們可以安全地和從未見過的人們通訊，而事先不需要任何保密的渠道用來傳遞密鑰。PGP采用了審慎的密鑰管理，一種RSA和傳統(tǒng)加密的雜合算法，用于數(shù)字簽名的郵件文摘算法，加密前壓縮等。它功能強(qiáng)大，速度很快。
PGP的創(chuàng)始人是美國的PhilZimmermann。他創(chuàng)造性地把RSA公鑰體系的方便和傳統(tǒng)加密體系的高速度結(jié)合起來，并且在數(shù)字簽名和密鑰認(rèn)證管理機(jī)制上有非常巧妙的設(shè)計(jì)。因此PGP成為幾乎最流行的公鑰加密軟件包。其中，RSA（Rivest－Shamir－Adleman）算法是一種基于“大數(shù)不可能質(zhì)因數(shù)分解假設(shè)”的公鑰體系。簡單地說就是找兩個(gè)很大的質(zhì)數(shù)，一個(gè)公開給世界，一個(gè)不告訴任何人。一個(gè)稱為“公鑰”，另一個(gè)叫“私鑰”。這兩個(gè)密鑰是互補(bǔ)的，就是說用公鑰加密的密文可以用私鑰解密，反過來也一樣。
具體地說，GnuPG是實(shí)現(xiàn)安全通訊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一系列工具集，可以做加密數(shù)據(jù)和做數(shù)字簽名之用。在功能上，它和PGP是一樣的。由于PGP使用了IDEA專利算法，所以使用PGP會(huì)有許可證的麻煩。但是GnuPG并沒有使用這個(gè)算法，所以對(duì)用戶來說使用GnuPG沒有任何限制。GnuPG使用非對(duì)稱加密算法，安全程度比較高。所謂非對(duì)稱加密算法，就是每一個(gè)用戶都擁有一對(duì)密鑰：公鑰和私鑰。其中，密鑰由用戶保存，公鑰則由用戶盡可能地散發(fā)給其他人，以便用戶之間的通訊。該軟件可以從網(wǎng)站http://www.gnupg.org/上進(jìn)行下載安裝。
GnuPG支持的算法有如下：
公鑰：RSA， RSA-E， RSA-S， ELG-E， DSA
對(duì)稱加密：3DES， CAST5， BLOWFISH， AES， AES192， AES256， TWOFISH
散列：MD5， SHA1， RIPEMD160， SHA256， SHA384， SHA512
壓縮：不壓縮， ZIP， ZLIB， BZIP2
其使用的基本語法為：gpg [選項(xiàng)] [文件名]
其實(shí)現(xiàn)的功能包括簽名、檢查、加密或解密，默認(rèn)的操作依輸入數(shù)據(jù)而定。
#p#
2 詳細(xì)使用方法
1．生成密鑰對(duì)
使用GnuPG之前必須生成密鑰對(duì)（公鑰和私鑰），參數(shù)選項(xiàng)"--gen-key"可以生成密鑰對(duì)?？砂慈缦虏襟E操作，如圖1、圖2所示。在圖1中，首先用戶需要注意有如下幾個(gè)關(guān)鍵的步驟：
（1）GnuPG要求輸入要生成的密鑰的算法：GnuPG可以生成多種密鑰對(duì)，這里有三種選擇。DSA密鑰是生成證書的最基本的密鑰格式。ElGamal密鑰對(duì)可以用來加密。第二種選擇與第一種相似，但是僅僅生成DSA密鑰對(duì)，第三種選擇可以生成供簽證和加密使用的ElGamal密鑰對(duì)。對(duì)大多數(shù)用戶來說，使用缺省的選擇是非常方便的。
（2）選擇密鑰的長度，DSA密鑰的長度在512位～1024位之間，Elmagal密鑰的長度則沒有限制。生成一個(gè)很長的密鑰既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，長的密鑰無疑安全性非常高，但是會(huì)導(dǎo)致加密的過程變得緩慢，另外，密鑰過長，也會(huì)使證書的長度變大。缺省的密鑰長度1024位已經(jīng)夠用了，確定了密鑰的長度之后，就不能再改變它。
（3）需要指定這個(gè)密鑰對(duì)的有效日期，如果選擇了生成ElGamal或者 DSA密鑰對(duì)，它們需要指定密鑰對(duì)的失效日期。對(duì)于大多數(shù)用戶來說，密鑰對(duì)沒有失效期限是可以的。雖然在密鑰對(duì)產(chǎn)生以后，可以改變它的有效日期，但是仍要謹(jǐn)慎選擇這個(gè)參數(shù)。因?yàn)楣€發(fā)送出去以后，很難再改變其他用戶擁有的您的公鑰。
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| 圖1 |
圖1 生成密鑰對(duì)的前3個(gè)關(guān)鍵步驟
完成上述步驟后，用戶還需要注意如圖5所示的后續(xù)幾個(gè)關(guān)鍵步驟：
（4）用戶需要指定一個(gè)用戶ID來標(biāo)識(shí)選擇的密鑰，GnuPG可以根據(jù)用戶的真實(shí)姓名、注釋和E-mail地址產(chǎn)生一個(gè)用戶ID。在圖2中，我們使用姓名（liyang），電子郵件地址（liyang@tsinghua.com）和注釋（liyang@tsinghua），并設(shè)定了密鑰的密碼，來完成了該步驟。這個(gè)口令的目的是用來加密用戶的私鑰，這樣，即使有人偷走了用戶的私鑰，沒有這個(gè)口令，也無法使用，這個(gè)口令的長度沒有限制，但是，正如我們所知道的，一個(gè)短的口令是很容易被破解的。同樣，如果用戶的口令是一個(gè)單詞，也很容易被破解。
（5）在產(chǎn)生密鑰的過程中，GnuPG需要得到一些隨機(jī)的數(shù)字。這些隨機(jī)的數(shù)字可以從用戶的系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)中得到，所以這時(shí)候，用戶可以隨機(jī)敲一下鍵盤或者移動(dòng)鼠標(biāo)，來產(chǎn)生高質(zhì)量的隨機(jī)數(shù)。圖2中系統(tǒng)就明顯地要求筆者盡量多產(chǎn)生一些隨機(jī)數(shù)字來生成密鑰，以保證質(zhì)量。
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| 圖2 |
圖2 生成密鑰的后續(xù)2個(gè)關(guān)鍵步驟示意
完成了上述5個(gè)關(guān)鍵步驟后，如果系統(tǒng)顯示如圖3所示的成功界面，則生成密鑰成功，否則用戶需要再重復(fù)如上5個(gè)步驟。
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| 圖3 |
圖3 生成密鑰成功
2．為密鑰建立吊銷證書
當(dāng)用戶的密鑰對(duì)生成之后，用戶應(yīng)該立即做一個(gè)公鑰回收證書，如果忘記了私鑰的口令或者私鑰丟失或者被盜竊，用戶可以發(fā)布這個(gè)證書來聲明以前的公鑰不再有效。生成回收證書的選項(xiàng)是"--gen-revoke"。具體使用的命令是：
# gpg --output revoke.asc --gen-revoke mykey
其中mykey 參數(shù)是可以表示的密鑰標(biāo)識(shí)，產(chǎn)生的回收證書放在revoke.asc文件里，一旦回收證書被發(fā)放，以前的證書就不能再被其他用戶訪問，因此以前的公鑰也就失效了。具體的過程如圖4至6所示。在該過程中我們?yōu)橛脩鬺iyang的密鑰建立了一份吊銷證書，在建立過程中需要依次輸入吊銷理由和為密鑰設(shè)定的密碼才能成功建立：
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| 圖4 |
圖4 輸入吊銷理由
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| 圖5 |
圖5 輸入為密鑰建立的密碼
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| 圖6 |
圖6 成功建立吊銷證書
3．顯示密鑰列表
完成上述操作后可以使用 --list-keys 選項(xiàng)列出我們生成的密鑰，如圖7所示：
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| 圖7 |
圖7 密鑰列表
4．輸出公鑰
用戶可以輸出您的公鑰供您的主頁使用，也可以把它放在密鑰服務(wù)器上，當(dāng)然，還可以使用于其他的途徑。在使用此公鑰之前用戶首先要導(dǎo)出它。選項(xiàng)--export可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，在使用這個(gè)選項(xiàng)時(shí)，還必須使用附加的選項(xiàng)指明用戶要輸出的公鑰。
下面的命令表示以二進(jìn)制格式輸出公鑰：
# gpg --output pubring.gpg --export samsunglinux@minigui.org
如下命令表示以ASCII字符格式輸出：
#gpg --output pubring.gpg --export--armor> liyang_public-key.asc
5．導(dǎo)入公鑰
用戶可以把從第三方的公鑰數(shù)據(jù)庫中得到的公鑰導(dǎo)入自己的私有數(shù)據(jù)庫，在與他人進(jìn)行通訊時(shí)使用。命令如下：
#gpg --import < filename >
其中，參數(shù)filename為公鑰文件。
圖8給出了將用戶liyang的公鑰導(dǎo)入到用戶samsunglinux自己的私有數(shù)據(jù)庫的例子：
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| 圖8 |
圖8 導(dǎo)入公鑰示例
#p#
6．確認(rèn)密鑰
導(dǎo)入密鑰以后，使用數(shù)字簽名來驗(yàn)證此證書是否合法。查看數(shù)字簽名使用 --fingerprint 選項(xiàng)。其命令如下所示：
#gpg --fingerprint < UID >
其中，UID為用戶要驗(yàn)證的公鑰。圖9給出了驗(yàn)證證書的例子：
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| 圖9 |
圖9 確認(rèn)密鑰示意
7．密鑰簽名
導(dǎo)入密鑰之后，可以使用 --sign-key 選項(xiàng)進(jìn)行簽名，簽名的目的是證明用戶完全信任這個(gè)證書的合法性。其命令格式為：
# gpg --sign-key < UID >
其中，UID 是要簽名的公鑰。圖10為使用該命令的結(jié)果示意：
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| 圖10 |
圖10 確認(rèn)密鑰示意
8．檢查簽名
用戶可以使用 --check-sigs選項(xiàng)來檢查在上面對(duì)密鑰所作的簽名。其命令格式為：
# gpg --check-sigs < UID >
這個(gè)選項(xiàng)可以列出此密鑰文件的所有的簽名。圖11給出了相應(yīng)的示意：
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| 圖11 |
圖11 檢查簽名示意
9．加密和解密
使用GnuPGP加密和解密一個(gè)文件非常容易，如果用戶要給對(duì)方用戶發(fā)送一個(gè)加密文件，可以使用對(duì)方用戶的公鑰加密這個(gè)文件，并且這個(gè)文件也只有對(duì)方用戶使用自己的密鑰才可以解密查看。
加密一個(gè)文件可以使用下面的指令
#gpg –r < UID > --encrypt < file >
其中，UID是對(duì)方的公鑰，file為要加密的文件。
對(duì)應(yīng)地，如果用戶要解開一個(gè)其他用戶發(fā)給您的文件可以使用下面的指令：
#gpg -d < file >
其中，file是要解密的文件。解密過程中，GnuPG會(huì)提示用戶輸入使用密鑰所需要的口令，也就是在產(chǎn)生私鑰時(shí)用戶所輸入的口令，否則，該文件將無法正常解密和為用戶進(jìn)行使用。圖12和圖13分別顯示了用戶samsung對(duì)文件gpg.conf進(jìn)行加密傳輸，用戶liyang對(duì)該加密文件gpg.conf.gpg進(jìn)行解密的過程。
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| 圖12 |
圖12 用戶samsunglinux對(duì)文件gpg.conf進(jìn)行加密
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| 圖13 |
圖13 用戶liyang對(duì)文件進(jìn)行解密并瀏覽（白色部分）
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3 GnuPG使用實(shí)例
1．使用GPG收發(fā)數(shù)據(jù)
下面詳細(xì)介紹如何使用GPG收發(fā)數(shù)據(jù)，主要會(huì)涉及到數(shù)據(jù)交換的兩種方式：
數(shù)字簽名傳輸（Signed data）：發(fā)送者使用私鑰對(duì)數(shù)據(jù)加密，接收者使用公鑰對(duì)數(shù)據(jù)解密。
數(shù)據(jù)加密傳輸（Encrypted data）：發(fā)送者使用公鑰對(duì)數(shù)據(jù)加密，接收者使用私鑰對(duì)數(shù)據(jù)解密。
（1）數(shù)字簽名傳輸
發(fā)送者使用私鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名，接收者擁有發(fā)送者的公鑰，對(duì)之信任并使用它驗(yàn)證接收數(shù)據(jù)的完整性。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名的最簡單的方法是使用clearsign命令，這將使GPG創(chuàng)建一個(gè)易讀的簽名，很適于發(fā)送Email。具體命令及執(zhí)行情況如下，參見圖14：
#gpg --clearsign mymessage.txt
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| 圖14 |
圖14 對(duì)文件tansmit.txt生成簽名（transmit.txt.asc）
從圖14中可以看到：輸入密碼后，就將生成一個(gè)擴(kuò)展名為.asc的新文件，這里就是transmit.txt.asc。這個(gè)文件包含了transmit.txt文件的原始內(nèi)容以及簽名信息（參見圖15）：
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| 圖15 |
圖15 文件transmit.txt.asc的內(nèi)容
當(dāng)接收者收到包含上述簽名的信息或文件時(shí)，他可以使用發(fā)送者的公鑰來驗(yàn)證信息的完整性，具體命令及執(zhí)行情況如下，參見圖16：
#gpg --verify transmit.txt.asc
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| 圖16 |
圖16 驗(yàn)證數(shù)字簽名的完整性
（2）數(shù)據(jù)加密傳輸
第2種傳輸方式的目的是為了只讓個(gè)別人看到發(fā)送信息發(fā)送者使用其公鑰對(duì)文件或數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，接收者使用發(fā)送者的私鑰對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。加密命令包含兩個(gè)部分，一部分指定接收者的Email，另一部分指定要加密的文件。具體命令如前面所述的加密和解密的流程完全一致，這里不再贅述，這里只給出一個(gè)加密后的transmit.txt文件的示例，如圖17所示。在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，即算該文件為黑客或者其他用戶截獲到，沒有私鑰，該用戶也無法對(duì)該文件進(jìn)行識(shí)別，因而具有很高的安全性。
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| 圖17 |
圖17 加密后的transmit.txt文件
另外，值得一提的是：通過以上方式被加密的信息也可以被簽名，方法是在上述命令中再加上一個(gè)-s參數(shù)。如下命令所示：
#gpg –r < UID > --encrypt -s< file >
那么，在使用-d選項(xiàng)來解密該文件時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)如圖18所示的情況，該圖的白色部分給出了對(duì)簽名的檢驗(yàn)情況：
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| 圖18 |
圖18 解密過程中檢驗(yàn)數(shù)字簽名
2．使用GPG驗(yàn)證RPM包
一旦學(xué)會(huì)使用RPM，很容易安裝好它們就不管了，并且忘記了安全性問題。破解者可能會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布的RPM中植入病毒或木馬。rpm命令包括了檢查RPM完整性的方法，它同樣使用的是GPG。它也可以驗(yàn)證程序包，甚至驗(yàn)證一個(gè)文件的內(nèi)容。
該系統(tǒng)的關(guān)鍵是Fedora Core GPG密鑰。它們應(yīng)默認(rèn)安裝為/etc/gpg/rpm-gpg/RPM-GPG-KEY.*。接著，導(dǎo)入GPG公共密鑰。例如，如果從安裝CD或DVD導(dǎo)入，應(yīng)該用下面的命令導(dǎo)入/var/lib/rpm /Pubkeys文件：
# rpm --import /media/disk/RPM-GPG-KEY
（1）驗(yàn)證程序包
現(xiàn)在可以驗(yàn)證RPM程序包是否有真正的Fedora Core簽名。例如，在重新編譯前想驗(yàn)證內(nèi)核源RPM的完整性。要在本地目錄驗(yàn)證kernel .src RPM的下載版本，可執(zhí)行下面的命令：
# rpm -K kernel-2.6.15-1.2054_FC5.src.rpm
kernel-2.6.15-1.2054_FC5.src.rpm: (shal) dsa sha1 md5 gpg OK
該命令對(duì)照聲明的加密方案（包括GPG）來驗(yàn)證內(nèi)核源RPM的完整性。
（2）驗(yàn)證文件
對(duì)照原始配置檢查文件是很有用的。例如，想了解計(jì)算機(jī)上的一個(gè)文件是否被破解者修改，需要對(duì)比原始配置檢查文件的一系列標(biāo)準(zhǔn)屬性。與通過RPM程序包安裝的每個(gè)文件相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在/var/lib/rpm目錄下的RPM數(shù)據(jù)庫中。
如果懷疑某個(gè)命令運(yùn)行不正常，可以對(duì)照此RPM數(shù)據(jù)庫檢查該命令。以mount命令為例。用下面的命令能檢查mount的完整性：
# rpm -Vf /bin/mount
如果看不到任何輸出，該命令還和原來安裝時(shí)一樣。
如果有人篡改了mount命令，會(huì)生成下面的輸出：
# rpm -Vf /bin/mount
S.5 T /bin/mount
該命令將檢查/bin/mount的9個(gè)屬性。如果見到表1中的一個(gè)字母，說明文件在某一方面不同于原始文件。上面的例子說明文件大小、MD5校驗(yàn)和以及文件修改時(shí)間有變化。
表1 驗(yàn)證文件的錯(cuò)誤輸出
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| 圖19 |
在某些情況下，測(cè)試失敗不是問題。比如，如果修改了/etc/inittab文件，就會(huì)看到一個(gè)像是驗(yàn)證失敗的結(jié)果：
# rpm -Vf /etc/inittab
S.5 T c /etc/inittab
但這個(gè)失敗也許不表示存在問題。例如，我是在修改了此配置文件中的initdefault變量后得到這個(gè)結(jié)果的。也就是說，文件大?。⊿）和校驗(yàn)和（5）發(fā)生變化是因?yàn)樾薷牧宋募膬?nèi)容，文件修改時(shí)間（T）自然也不同于在計(jì)算機(jī)上安裝Fedora Core的時(shí)間。
4 GnuPG使用技巧
在使用GnuPG的過程中，需要注意如下幾個(gè)問題：
需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用來確定生成密鑰的算法、密鑰的長度以及密鑰的有效期限；
需要用戶通過交互移動(dòng)鼠標(biāo)、鍵盤來保證生成的密鑰對(duì)的隨機(jī)性；否則，極有可能被黑客破解；
公鑰的安全性問題是GnuPG安全的核心，一個(gè)成熟的加密體系必然要有一個(gè)成熟的密鑰管理機(jī)制配套。公鑰體制的提出就是為了解決傳統(tǒng)加密體系的密鑰分配難保密的缺點(diǎn)。比如網(wǎng)絡(luò)黑客們常用的手段之一就是“監(jiān)聽”，如果密鑰是通過網(wǎng)絡(luò)傳送就太危險(xiǎn)了。對(duì)GnuPG來說公鑰本來就要公開，就沒有防監(jiān)聽的問題。但公鑰的發(fā)布中仍然存在安全性問題，例如公鑰的被篡改，這可能是公鑰密碼體系中最大的漏洞，因?yàn)榇蠖鄶?shù)新手不能很快發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。你必須確信你拿到的公鑰屬于它看上去屬于的那個(gè)人。
私鑰的保密也是決定性的。相對(duì)公匙而言，私鑰不存在被篡改的問題，但存在泄露的問題。GnuPG的辦法是讓用戶為隨機(jī)生成的RSA私鑰指定一個(gè)口令。只有通過給出口令才能將私鑰釋放出來使用，用口令加密私鑰的方法保密程度和GnuPG本身是一樣的。所以私鑰的安全性問題實(shí)際上首先是對(duì)用戶口令的保密。當(dāng)然私鑰文件本身失密也很危險(xiǎn)，因?yàn)槠谱g者所需要的只是用窮舉法試探出你的口令了，雖說很困難但畢竟是損失了一層安全性。在這里只用簡單地記住一點(diǎn)，要像任何隱私一樣保藏你的私鑰，不要讓任何人有機(jī)會(huì)接觸到它。
在實(shí)際的使用過程中，用戶可以將GnuPG軟件靈活地運(yùn)用到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，包括電子郵件發(fā)送，F(xiàn)TP文件傳送等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。
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