OpenPGP

1. 概述

Pretty Good Privacy(PGP)是一个提供加密和认证的计算机程序。

PGP经常被用于签名、加密和解密电子邮件，以增加电子邮件通信的安全性。

提供的安全功能

• 保密性：对称加密信息，非对称加密会话密钥

• 完整性：对消息摘要数字签名

• 身份认证：数字签名

PGP模块

• 加解密

• 数字签名

• 压缩：为了高效地传输数据，PGP支持ZIP、ZLIB、BZIP2等格式的压缩和解压。

• 电子邮件兼容性：

  为了兼容电子邮件（ASCII码格式），加解密的二进制结果将会转换为Radix-64编码（基于Base64编码，增加检测错误的校验和）

2. 加密与解密

2.1 加密

 

 

 

解释：

• 第一步，先将消息进行压缩，减少需要计算的数据的量。

• 第二步，生成一个随机的会话密钥，用于之后加密消息。

• 第三步，使用对称加密算法加密消息（为了快速高效），使用的密钥就是刚刚生成的会话密钥

• 第四步，处理会话密钥。选择非对称加密算法，用接收者的公钥加密会话密钥。

• 第五步，拼接加密后的会话密钥和消息。如果是邮件还需要转码成Radix-64编码

2.2 解密

 

 

解释：

• 第一步，按长度分解接收到的数据（如果是电子邮件还要先解码为二进制），分解为加密的会话密钥和消息。

• 第二步，用接收者的私钥解密会话密钥。

• 第三步，用会话密钥解密消息。

• 第四步，解压解密后的消息，得到明文消息。

2.3 私钥管理

由加密和解密的过程可以看到，解密时需要接收者输入的就是接收者的私钥，但是现在就有以下的问题：

• 如果直接输入私钥的话，由于这个值通常十分复杂，难以记忆，可用性很低。

• 如果直接以明文存储接收者私钥到本地，将不满足纵深防御的理念，一旦有攻击者得到计算机的控制权，密钥将形同虚设。

为了解决私钥存储的问题，PGP使用PBE（Password Based Encryption）。

简单的PBE：

 

 

这样使用PBE仍然是不安全的，这样很容易遭受口令字典暴力破解攻击。为了对抗这样的安全威胁，最好的办法是随机化hash函数的输入

加盐的PBE：

 

 

通过加一个随机的“盐”值，将会增加hash函数输入的熵，使得口令字典暴力破解攻击变得更加困难。

PGP的私钥管理：

 

 

解释：

• 第一步，接收者输入口令，使用一个盐值与口令拼接。

• 第二步，将拼接后的口令输入hash函数，得到一个处理过的私钥的“密文”

• 第三步，使用这个私钥的“密文”解密加密后的私钥，得到真正需要使用的私钥

2.4 完整流程图示

 

 

 

3. 数字签名生成和验证

加密方法满足了信息的保密性要求，但是为了认证发送者的身份，还是需要数字签名的技术。

3.1 签名

图示：

 

 

解释：

• 第一步，首先将消息输入hash函数，得到一个定长的消息摘要

• 第二步，按照与PGP的私钥管理规则，得到发送者的私钥（参见前文）

• 第三步，使用发送者的私钥进行签名

• 第四步，拼接要发送的消息和签名，并对拼接后的消息进行压缩

• 第五步，发送数据（如果为了邮件兼容性，还需如上图增加转码到Radix-64的过程）

3.2 验证

图示：

 

 

解释：

• 第一步，解压缩数据（如果做了转码处理，这里还需要解码成二进制数据）

• 第二步，按长度分解数据，分为消息和签名

• 第三步，用发送者的公钥验证签名得到消息的哈希值A

• 第四步，计算消息的哈希值B

• 第五步，对比哈希值A和哈希值B，若相同，则接受这个签名

3.3 完整流程图示

 

 

4. 加解密与数字签名结合

为了同时保证保密性以及验证身份，只需结合加解密与数字签名的过程即可：

 

 

 

 

5. 信任网

在PGP协议的加解密和数字签名过程中都是用到了公钥，之前并没有讨论到公钥的合法性问题。按照一般的方法，公钥的认证依赖于一个可以信任的机构，依赖于公钥基础设施PKI。但是PGP假定没有任何机构可以信任，其使用的是一种称为信任网的模式。

5.1 基本原则

通过各个用户的签名以及用户的受信任级别来决定该公钥是否有效。

5.2 具体实施

在阐述信任网的实施方法之前，需要先搞清楚PGP信任级别，因为这个将是信任网的基础：

 

 

• 自己签名确认：

  如果某个公钥被用户自己签过名，那么则认为这个公钥有效。

  例子：用户A与用户B通过某种方式交换了各自的公钥，并且用户A和用户B在交换时就对对方的公钥进行了签名。在之后要使用公钥时，用户A或用户B会发现对方的公钥已经被自己签过名了，所以这个公钥将会被认为是一个合法的公钥。

• 完全信任的用户签名确认：

  如果某个公钥被另一个用户签过名，而这个用户的信任级别是完全信任，那么则认为这个公钥有效。

  例子：用户A有一个好朋友用户C，用户C为用户B的公钥进行了签名。当用户A要使用用户B的公钥时，用户A会发现用户C签名了这个公钥，那么由于用户A完全信任用户C，那么用户A将会认为用户B的公钥是有效的。这个过程比较类似现实生活中，我的好朋友介绍他的好朋友给我的过程。

• 多个有限信任的用户签名确认：

  如果某个公钥被多个用户签过名，且这些用户的信任级别是有限信任，那么则认为这个公钥有效。如果只有一个有限信任的用户签名了这个公钥，那么这个公钥将被认为是无效的。

  例子：用户A有两个同时用户D和用户E，用户D和用户E同时为用户B的公钥签了名。当用户A要使用用户B的公钥时，用户A看到有两个用户为B签了名，而这两位同事比较可靠，那么用户A便认为这个公钥是有效的。如果只有一个用户D为用户B签了名，那么由于用户A并不能完全信任用户D，害怕用户D和用户B联合起来作假欺骗自己，于是用户A认为用户B的公钥是无效的。

6. PGP选用的算法

6.1 数字签名

• DSS、RSA：签名

• SHA：签名时使用的哈希算法

6.2 消息加密

• CAST-128、IDEA、3DES：用来加密消息

• RSA：用来加密会话密钥