RSA簽名的PSS模式

時間 2019-11-13

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做者：mariolujava

1、什麼是PSS模式？

1.一、兩種簽名方式之一RSA-PSS

PSS (Probabilistic Signature Scheme)私鑰簽名流程的一種填充模式。目前主流的RSA簽名包括RSA-PSS和RSA-PKCS#1 v1.5。相對應PKCS（Public Key Cryptography Standards）是一種可以自我從簽名，而PSS沒法從簽名中恢恢復原來的簽名。openssl-1.1.x之後默認使用更安全的PSS的RSA簽名模式。算法

1.二、填充的必要性

RSA算法比較慢，通常用於非對稱加密的private key簽名和public key驗證。因RSA算法沒有加入亂數，當出現重複性的原始資料，攻擊者會經過相同加密密文而猜想出原文，所以導入padding的機制來加強安全性。安全

TLS流程中的密鑰材料若不進行填充而直接加密，那麼顯然相同的key，會獲得相同的密文。這種在語義上來講，是不安全的。如下例子說明了無填充模式的安全漏洞。網絡

m：明文
e，n：RSA參數（公鑰）
d：RSA參數（私鑰）
c：網絡傳輸密文

加密方加密m：c = m^e mod n，傳輸cdom

解密方解密c：m = c^d mod n，還原m函數

c'：篡改密文
k：篡改碼

因爲c在網絡上傳輸，若是網絡上有人對其進行c' = c*k^e mod n，這樣的替換工具

那麼解密方將獲得的結果是測試

(c*k^e)^d mod n加密

= （c^d mod n）* （k^ed mod n）

= m*k

即中間人有辦法控制m。

1.三、PSS的基本要素

使用PSS模式的RSA簽名流程以下：

圖一、RSA-PSS的填充模式

相比較PKCS#1 v1.5的padding簡單許多：

圖二、RSA-PKCS#v1.5的填充模式

PSS的一些概念：

hash算法，通常使用SHA-1
MGF函數（mask generation function)。默認是MGF1。
salt length，通常由hLen決定。當爲0時，簽名值變成了惟一肯定的。
截斷符號，通常是0xbc

2、RSA簽名實際操做

這節例子中所涉及到的文件說明：

/tmp/wildcard_domain.sports.qq.com.v2.key：私鑰

/tmp/pub: 公鑰

/tmp/data: 明文

/tmp/endata: 密文

/tmp/sign: 簽名

/tmp/de_sign: 解簽名

2.一、前期準備：公鑰和私鑰

經過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

原始數據：

echo -n "1234567890" > /tmp/data

這樣就有一對公鑰和私鑰，用來測試RSA加密解密（encrypt、decrypt）和簽名驗證（sign，verify）
RSA加密的兩種算法分別是RSAES-PKCS-v1_5 and RSAES-OAEP。

2.二、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，獲得本來的值：

openssl rsautl -inkey /tmp/wildcard_domain.sports.qq.com.v2.key -in /tmp/en_data -decrypt

2.三、簽名和驗證（sign, verify）

簽名過程包括hash和加密。hash函數通常使用sha1。這樣輸入明文，直接生成sign簽名。

若是是私鑰簽名所作的事就是先hash再加密，選擇一種hash算法把原始消息計算後成ASN1格式，再把這個資料用private key加密後送出，資料自己不加密，這種方式主要是用來驗證資料來源是否可信任的，送出時把原始資料和簽名一塊兒送出。

簽名：

openssl sha1 -sign /tmp/wildcard_domain.sports.qq.com.v2.key  /tmp/data > /tmp/data/sign/tmp/data/sign

解開簽名：

openssl rsautl -pubin -inkey /tmp/pub -in sign -verify -out /tmp/de_sign

用public key解開簽名，而且保留padding

openssl rsautl -pubin -inkey /tmp/pub -in /tmp/sign -encrypt -raw -hexdump

使用解開ASN1解開簽名，或者簽名後用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對比

openssl sha1 /tmp/data

若是二者hash結果是同樣，那麼肯定簽名送過來是正確的。

2.四、openssl rsautl工具支持的填充模式

openssl rsautl --help，能夠看到支持的padding模式有，在rsautl加上如下選項能夠重複作2.2~2.3的實驗。

-ssl                     Use SSL v2 padding
 -raw                     Use no padding
 -pkcs                    Use PKCS#1 v1.5 padding (default)
 -oaep                    Use PKCS#1 OAEP

3、PSS填充模式的特色

PSS是RSA的填充模式中的一種。

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，強制使用SHA1，加密使用）
RSA_X931_PADDING（X9.31填充，簽名使用）
RSA_PKCS1_PSS_PADDING（RSASSA-PSS填充，簽名使用）
RSA_PKCS1_PADDING（RSAES-PKCS1-v1_5/RSASSA-PKCS1-v1_5填充，簽名可以使用）

其中主流的填充模式是PKCS1和PSS模式。

PSS的優缺點以下：