非对称加密的使用场景

目前加密技术主要可以分为对称加密和非对称加密两种。本文结合 openssl 命令，用实际的例子介绍非对称秘钥在加密通信和数字签名中的使用场景。

对称加密比较容易理解，就是使用同一个秘钥加密和解密数据。比如凯撒密码（Caesar Cipher）就是一个最古老的对称加密算法：

我们用英文字母交流，但是每个字母都向后移动 3 位，这样就能一定程度上隐藏明文内容。

比如 hello 加密后变成了 khoor。在这个例子中，hello 是明文，khoor 是密文，秘钥是 3。

古老的凯撒密码很容易被破解，现代有很多更安全的对称加密算法，比如 AES、DES 等，它们更加复杂，但依然需要加密方和解密方共享秘钥。

共享秘钥本身就存在一个无法解决的问题：

在信道不安全的情况下，我们无法将密文和秘钥同时安全地传递给解密方。

数据发送方需要把密文和秘钥都发给接收方，对方才能解密。但信道不安全，窃听者完全可以同时截获密文和秘钥，也就使得加密形同虚设。

非对称加密就是解决这个问题的。

非对称加密

非对称加密的思路就是，加密和解密使用不同的秘钥。

类比生活中的场景：

对称加密就像使用密码锁的保险箱，密码和锁是一体的，发送方给接收方寄出密码保险箱，也必然要寄出密码，在信道不安全的情况下就等于没有加密。

非对称加密的思路是，改用使用锁 + 钥匙的保险箱，加密（锁）和解密（钥匙）并不是一体的。接收方可以先自制一把锁和对应的钥匙，然后把锁寄给发送方，发送方用这把锁锁住保险箱，把保险箱寄回。

这样一来，由于钥匙本身始终在接收方手里，也就可以保证其他人无法打开保险箱窃取信息了。

非对称加密算法能生成一个秘钥对（Key Pair），包含一个公钥（Public Key）和一个私钥（Private Key）。

其中公钥可以发布到任何地方，而私钥则需要自己保留。这样互联网上的任何人都可以用公钥加密数据，但只有持有私钥的人才能解密数据。

除了加密场景外，非对称秘钥的另一个重要用途是数字签名。私钥可以用来对数据生成签名，公钥可以用来验证签名。

如果私钥持有者如果想发布一份申明，那么他可以用私钥对申明进行签名，然后同时发布申明和签名。其他人可以用公钥验证签名，从而确定申明确实是由私钥持有者发布的。

这样说可能还是有点抽象，我们来实操一把。

openssl 生成秘钥对

我们使用 openssl 命令来生成秘钥对，主流的操作系统应该都会预装这个工具。

我们首先要生成一个独一无二的私钥，公钥是从私钥中提取出来的。

# 生成私钥
openssl genpkey -algorithm RSA -out private_key.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

• genpkey: 生成密钥的命令。
• -algorithm RSA: 指定使用 RSA 算法，这是最经典的非对称加密算法。
• -out private_key.pem: 将生成的私钥保存到名为 private_key.pem 的文件中。
• -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048: 指定密钥长度为 2048 位，这是当前推荐的安全长度。

执行后，当前目录下会多出一个 private_key.pem 文件。这个就是私钥文件，一定要保管好，不能泄露！

接下来，我们从私钥中生成对应的公钥：

# 生成公钥
openssl rsa -pubout -in private_key.pem -out public_key.pem

• rsa: 处理 RSA 密钥的命令。
• -pubout: 表示要输出公钥。
• -in private_key.pem: 指定输入的私钥文件。
• -out public_key.pem: 将生成的公钥保存到名为 public_key.pem 的文件中。

现在，你拥有了 public_key.pem 文件，这个就是你的公钥，你可以把它分发给任何人。

加密与解密场景

数据发送方想发给你一条机密消息：

echo "My name is Bob." > message.txt

那么他可以用你的公钥了来加密消息：

# 公钥加密
openssl pkeyutl -encrypt -pubin -inkey public_key.pem -in message.txt -out encrypted_message.bin

• -encrypt: 执行加密操作。
• -pubin -inkey public_key.pem: 使用公钥 (public_key.pem) 进行加密。
• -in message.txt: 对 message.txt 文件加密。
• -out encrypted_message.bin: 将加密后的内容输出到 encrypted_message.bin 文件。

现在目录中多了一个 encrypted_message.bin 文件，其内容是乱码，这就是加密后的密文。

你可以用私钥解密密文：

# 私钥解密
openssl pkeyutl -decrypt -inkey private_key.pem -in encrypted_message.bin -out decrypted_message.txt

• -decrypt: 执行解密操作。
• -inkey private_key.pem: 使用私钥 (private_key.pem) 进行解密。
• -in encrypted_message.bin: 对加密文件进行解密。
• -out decrypted_message.txt: 将解密后的明文输出到 decrypted_message.txt 文件。

检查解密后的内容：

cat decrypted_message.txt

你会看到，原始消息 My name is Bob. 完美地还原了！

场景二：签名与验证

假设你要发布一份公开声明，例如一份合同条款：

echo "I agree." > contract.txt

为了证明这份合同确实是你本人签署的，可以使用你的私钥对 contract.txt 生成一个数字签名。

# 私钥签名
openssl dgst -sha256 -sign private_key.pem -out signature.bin contract.txt

• dgst -sha256: 表示先用 SHA256 算法对文件内容计算指纹（哈希值），然后再对这个指纹进行签名。
• -sign private_key.pem: 使用你的私钥 (private_key.pem) 进行签名。
• -out signature.bin: 将生成的签名保存到 signature.bin 文件。
• contract.txt: 要签名的原始文件。

接下来，你可以把 contract.txt（原文）和 signature.bin（签名）这两个文件一起公开发布。任何拥有你的公钥 (public_key.pem) 的人，都可以验证这份声明的真伪：

# 公钥验证签名
openssl dgst -sha256 -verify public_key.pem -signature signature.bin contract.txt

• -verify public_key.pem: 使用你的公钥 (public_key.pem) 进行验证。
• -signature signature.bin: 指定要验证的签名文件。
• contract.txt: 指定要验证的原始文件。

如果命令成功执行，终端会输出：

Verified OK

验证成功说明了：

• 身份真实性：这个签名确实是由与该公钥配对的私钥生成的。
• 数据完整性：contract.txt 的内容从签名之后，一个字都没有被改动过。

你可以尝试修改 contract.txt 文件的内容，或使用其他的私钥文件来生成 signature.bin，重新执行验证命令，就会得到验证失败的提示：

Verification Failure