RSA签名的PSS模式
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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*ke)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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