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)與計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲與數(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和經(jīng)典問題。本文將通過具體的加解密實例向用戶來介紹一種Linux下的基于PGP（Pretty Good Privacy）機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、對文件進行數(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用本文的技術(shù)來對網(wǎng)絡(luò)傳送的文檔、電子郵件等進行安全傳輸。
PGP（Pretty Good Privacy），是一個基于RSA公鑰加密體系的郵件加密軟件。它不但可以對用戶的數(shù)據(jù)保密以防止非授權(quán)者閱讀，還能對你的郵件加上數(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)證管理機制上有非常巧妙的設(shè)計。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很大的質(zhì)數(shù)，一個公開給世界，一個不告訴任何人。一個稱為“公鑰”，另一個叫“私鑰”。這兩個密鑰是互補的，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是實現(xiàn)安全通訊和數(shù)據(jù)存儲的一系列工具集，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會有許可證的麻煩。但是GnuPG并沒有使用這個算法，所以對用戶來說使用GnuPG沒有任何限制。GnuPG使用非對稱加密算法，安全程度比較高。所謂非對稱加密算法，就是每一個用戶都擁有一對密鑰：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] [文件名]
其實現(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 詳細使用方法
1．生成密鑰對
使用GnuPG之前必須生成密鑰對（公鑰和私鑰），參數(shù)選項"--gen-key"可以生成密鑰對?？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，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，第三種選擇可以生成供簽證和加密使用的ElGamal密鑰對。對大多數(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。生成一個很長的密鑰既有優(yōu)點也有缺點，長的密鑰無疑安全性非常高，但是會導(dǎo)致加密的過程變得緩慢，另外，密鑰過長，也會使證書的長度變大。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）需要指定這個密鑰對的有效日期，如果選擇了生成ElGamal或者 DSA密鑰對，它們需要指定密鑰對的失效日期。對于大多數(shù)用戶來說，密鑰對沒有失效期限是可以的。雖然在密鑰對產(chǎn)生以后，可以改變它的有效日期，但是仍要謹(jǐn)慎選擇這個參數(shù)。因為公鑰發(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 生成密鑰對的前3個關(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)幾個關(guān)鍵步驟：
（4）用戶需要指定一個用戶ID來標(biāo)識選擇的密鑰，GnuPG可以根據(jù)用戶的真實姓名、注釋和E-mail地址產(chǎn)生一個用戶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，沒有這個口令，也無法使用，這個口令的長度沒有限制，但是，正如我們所知道的，一個短的口令是很容易被破解的。同樣，如果用戶的口令是一個單詞，也很容易被破解。
（5）在產(chǎn)生密鑰的過程中，GnuPG需要得到一些隨機的數(shù)字。這些隨機的數(shù)字可以從用戶的系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)中得到，所以這時候，用戶可以隨機敲一下鍵盤或者移動鼠標(biāo)，來產(chǎn)生高質(zhì)量的隨機數(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個關(guān)鍵步驟示意
完成了上述5個關(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)用戶的密鑰對生成之后，用戶應(yīng)該立即做一個公鑰回收證書，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)布這個證書來聲明以前的公鑰不再有效。生成回收證書的選項是"--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，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--export可以實現(xiàn)這個功能，在使用這個選項時，還必須使用附加的選項指明用戶要輸出的公鑰。
下面的命令表示以二進制格式輸出公鑰：
# 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，在與他人進行通訊時使用。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
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6．確認(rèn)密鑰
導(dǎo)入密鑰以后，使用數(shù)字簽名來驗證此證書是否合法。查看數(shù)字簽名使用 --fingerprint 選項。其命令如下所示：
#gpg --fingerprint < UID >
其中，UID為用戶要驗證的公鑰。圖9給出了驗證證書的例子：
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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 選項進行簽名，簽名的目的是證明用戶完全信任這個證書的合法性。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選項來檢查在上面對密鑰所作的簽名。其命令格式為：
# gpg --check-sigs < UID >
這個選項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加密和解密一個文件非常容易，如果用戶要給對方用戶發(fā)送一個加密文件，可以使用對方用戶的公鑰加密這個文件，并且這個文件也只有對方用戶使用自己的密鑰才可以解密查看。
加密一個文件可以使用下面的指令
#gpg –r < UID > --encrypt < file >
其中，UID是對方的公鑰，file為要加密的文件。
對應(yīng)地，如果用戶要解開一個其他用戶發(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行使用。圖12和圖13分別顯示了用戶samsung對文件gpg.conf進行加密傳輸，用戶liyang對該加密文件gpg.conf.gpg進行解密的過程。
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| 圖12 |
圖12 用戶samsunglinux對文件gpg.conf進行加密
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| 圖13 |
圖13 用戶liyang對文件進行解密并瀏覽（白色部分）
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3 GnuPG使用實例
1．使用GPG收發(fā)數(shù)據(jù)
下面詳細介紹如何使用GPG收發(fā)數(shù)據(jù)，主要會涉及到數(shù)據(jù)交換的兩種方式：
數(shù)字簽名傳輸（Signed data）：發(fā)送者使用私鑰對數(shù)據(jù)加密，接收者使用公鑰對數(shù)據(jù)解密。
數(shù)據(jù)加密傳輸（Encrypted data）：發(fā)送者使用公鑰對數(shù)據(jù)加密，接收者使用私鑰對數(shù)據(jù)解密。
（1）數(shù)字簽名傳輸
發(fā)送者使用私鑰對數(shù)據(jù)進行簽名，接收者擁有發(fā)送者的公鑰，對之信任并使用它驗證接收數(shù)據(jù)的完整性。對數(shù)據(jù)進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，就將生成一個擴展名為.asc的新文件，這里就是transmit.txt.asc。這個文件包含了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，他可以使用發(fā)送者的公鑰來驗證信息的完整性，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別人看到發(fā)送信息發(fā)送者使用其公鑰對文件或數(shù)據(jù)進行加密，接收者使用發(fā)送者的私鑰對接收數(shù)據(jù)進行解密。加密命令包含兩個部分，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，即算該文件為黑客或者其他用戶截獲到，沒有私鑰，該用戶也無法對該文件進行識別，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-s參數(shù)。如下命令所示：
#gpg –r < UID > --encrypt -s< file >
那么，在使用-d選項來解密該文件時，將會出現(xiàn)如圖18所示的情況，該圖的白色部分給出了對簽名的檢驗情況：
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| 圖18 |
圖18 解密過程中檢驗數(shù)字簽名
2．使用GPG驗證RPM包
一旦學(xué)會使用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。它也可以驗證程序包，甚至驗證一個文件的內(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）驗證程序包
現(xiàn)在可以驗證RPM程序包是否有真正的Fedora Core簽名。例如，在重新編譯前想驗證內(nèi)核源RPM的完整性。要在本地目錄驗證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
該命令對照聲明的加密方案（包括GPG）來驗證內(nèi)核源RPM的完整性。
（2）驗證文件
對照原始配置檢查文件是很有用的。例如，想了解計算機上的一個文件是否被破解者修改，需要對比原始配置檢查文件的一系列標(biāo)準(zhǔn)屬性。與通過RPM程序包安裝的每個文件相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)存儲在/var/lib/rpm目錄下的RPM數(shù)據(jù)庫中。
如果懷疑某個命令運行不正常，可以對照此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一樣。
如果有人篡改了mount命令，會生成下面的輸出：
# rpm -Vf /bin/mount
S.5 T /bin/mount
該命令將檢查/bin/mount的9個屬性。如果見到表1中的一個字母，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校驗和以及文件修改時間有變化。
表1 驗證文件的錯誤輸出
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| 圖19 |
在某些情況下，測試失敗不是問題。比如，如果修改了/etc/inittab文件，就會看到一個像是驗證失敗的結(jié)果：
# rpm -Vf /etc/inittab
S.5 T c /etc/inittab
但這個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變量后得到這個結(jié)果的。也就是說，文件大?。⊿）和校驗和（5）發(fā)生變化是因為修改了文件的內(nèi)容，文件修改時間（T）自然也不同于在計算機上安裝Fedora Core的時間。
4 GnuPG使用技巧
在使用GnuPG的過程中，需要注意如下幾個問題：
需要根據(jù)實際的應(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鼠標(biāo)、鍵盤來保證生成的密鑰對的隨機性；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，一個成熟的加密體系必然要有一個成熟的密鑰管理機制配套。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。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)傳送就太危險了。對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，因為大多數(shù)新手不能很快發(fā)現(xiàn)這一點。你必須確信你拿到的公鑰屬于它看上去屬于的那個人。
私鑰的保密也是決定性的。相對公匙而言，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生成的RSA私鑰指定一個口令。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際上首先是對用戶口令的保密。當(dāng)然私鑰文件本身失密也很危險，因為破譯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，要像任何隱私一樣保藏你的私鑰，不要讓任何人有機會接觸到它。
在實際的使用過程中，用戶可以將GnuPG軟件靈活地運用到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，包括電子郵件發(fā)送，F(xiàn)TP文件傳送等各個應(yīng)用領(lǐng)域。
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