密码学之密钥编码
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背景
在密码学的应用实践中，不可避免的会涉及到各种密钥文件、数字证书等，这些文件通常以下面形式出现：
xyz.key一般表示存储内容为私钥xyz.pub一般表示存储内容为公钥（非对称密码体制公私钥对中的公钥）xyz.crt一般表示存储内容为x.509数字证书xyz.csr一般表示存储内容为证书请求，用于向CA机构申请数字证书xyz.pem一般情况下，需要根据文件内容判断存储内容为私钥、公钥或者证书等xyz.p12或xyz.pfx一般表示存储的内容包含私钥和数字证书，并使用口令进行了保护。
基本概念
- ASN.1抽象语法表示
- 通用数据表示语言，用于描述不同类型数据
- 独立于编程语言的格式
- DER编码
- 按照规则将数据编码为二进制格式
- 能够减小数据体积，提高传输效率，保证数据可移植性
- Base64编码
- 将二进制数据编码为可打印ASCII字符
- 可被文本传输协议直接传输，不能加密数据
- PEM格式
- 基于Base64编码，用于存储和传输公钥、私钥和证书等信息
- 以
-----BEGIN和-----END开头和结尾
在密码学中，以上编码或格式紧密联系，通常处于数据表示的不同阶段，如下：
常见密钥编码
密码学标准
密码学中常见的关于密钥相关的标准有：
- PKCS#1： RSA密码学标准，定义了RSA公私钥的格式和属性，以及加解密、签名、填充的基础算法。 私钥支持加密
- ECC格式：描述了椭圆曲线类型的私钥格式，在rfc5915中定义
- PKCS#8：一种通用的私钥格式标准，不仅支持RSA，还支持ECC、SM2等各类私钥。包含算法标识和私钥内容。 私钥支持加密
- PKCS#12：可以存储证书，私钥或者CRL，多用于Java语言
- PKIX：通用的公钥格式，包含算法标识和公钥内容
- X.509：数字证书格式标准，包含主体、签发者、公钥、有效期、签名算法、签发者签名信息等，通常用来代表主体的数字身份。
这些标准都属于或包含对密码学密钥该关键数据结构的描述定义，与ASN.1关系如下：
密钥PEM格式
密码学中常见的PEM举例：
- PKCS#1对应的PEM格式
# RSA私钥
-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
[私钥数据]
-----END RSA PRIVATE KEY-----
# RSA公钥
-----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----
[公钥数据]
-----END RSA PUBLIC KEY-----
- ECC私钥对应的PEM格式
# ec私钥
-----BEGIN EC PRIVATE KEY-----
[私钥数据]
-----END EC PRIVATE KEY-----
- PKCS#8和PKIX对应的PEM格式
# PKCS8私钥
-----BEGIN PRIVATE KEY-----
[私钥数据]
-----END PRIVATE KEY-----
# PKIX公钥
-----BEGIN PUBLIC KEY-----
[公钥数据]
-----END PUBLIC KEY-----
- X.509对应的PEM格式
# x.509证书
-----BEGIN CERTIFICATE-----
[证书数据]
-----END CERTIFICATE-----
注：PEM格式并不是严格定义的标准，它们可能会存在一些变体和扩展，例如 PKCS#12、PKCS#15等，因此在使用PEM格式的时候需要留意文件内容和文件类型的匹配关系。
举例
下面以PKCS8为例(借住openssl工具）
- 生成密钥
# 生成ec密钥
➜ openssl ecparam -name prime256v1 -genkey -noout -out private.ec.key
# 查看密钥（可以看到默认生成的为pem格式的ec密钥）
➜ cat private.ec.key
-----BEGIN EC PRIVATE KEY-----
MHcCAQEEIOxGa7f/l5VeH2H7YtGM63JPCr1XaBszCy++x9/876A9oAoGCCqGSM49
AwEHoUQDQgAENHVn+siN+rURI8h9TSdZj6DZDKq3WXEVkGY40GBSbLxc/u8T4jby
k/i5NKDzN1ZB66QYjoVuJkF2hD6LWckM4w==
-----END EC PRIVATE KEY-----
# 解析密钥（通过ASN1 OID字段，可以看到为prime256v1曲线的ec类密钥）
➜ openssl ec -in private.ec.key -noout -text
read EC key
Private-Key: (256 bit)
priv:
ec:46:6b:b7:ff:97:95:5e:1f:61:fb:62:d1:8c:eb:
72:4f:0a:bd:57:68:1b:33:0b:2f:be:c7:df:fc:ef:
a0:3d
pub:
04:34:75:67:fa:c8:8d:fa:b5:11:23:c8:7d:4d:27:
59:8f:a0:d9:0c:aa:b7:59:71:15:90:66:38:d0:60:
52:6c:bc:5c:fe:ef:13:e2:36:f2:93:f8:b9:34:a0:
f3:37:56:41:eb:a4:18:8e:85:6e:26:41:76:84:3e:
8b:59:c9:0c:e3
ASN1 OID: prime256v1
NIST CURVE: P-256
- 查看ec密钥的ASN.1表示
➜ openssl asn1parse -in private.ec.key
0:d=0 hl=2 l= 119 cons: SEQUENCE
2:d=1 hl=2 l= 1 prim: INTEGER :01
5:d=1 hl=2 l= 32 prim: OCTET STRING [HEX DUMP]:EC466BB7FF97955E1F61FB62D18CEB724F0ABD57681B330B2FBEC7DFFCEFA03D # ecc私钥
39:d=1 hl=2 l= 10 cons: cont [ 0 ]
41:d=2 hl=2 l= 8 prim: OBJECT :prime256v1 #ecc算法曲线
51:d=1 hl=2 l= 68 cons: cont [ 1 ]
53:d=2 hl=2 l= 66 prim: BIT STRING
# 注：ec标准与pkcs#1类似，仅用于描述ec类密钥
- 将ec密钥转换为pkcs8格式,并查看对应ASN.1表示
# 将ec格式密钥转换为pkcs8格式（这里使用nocrypt参数表示不加密）
➜ openssl pkcs8 -in private.ec.key -topk8 -out private.p8.key -nocrypt
# 查看pem格式的pkcs8密钥
➜ cat private.p8.key
-----BEGIN PRIVATE KEY-----
MIGHAgEAMBMGByqGSM49AgEGCCqGSM49AwEHBG0wawIBAQQg7EZrt/+XlV4fYfti
0Yzrck8KvVdoGzMLL77H3/zvoD2hRANCAAQ0dWf6yI36tREjyH1NJ1mPoNkMqrdZ
cRWQZjjQYFJsvFz+7xPiNvKT+Lk0oPM3VkHrpBiOhW4mQXaEPotZyQzj
-----END PRIVATE KEY-----
# 查看pkcs8密钥的asn.1表示
➜ openssl asn1parse -in private.p8.key
0:d=0 hl=3 l= 135 cons: SEQUENCE
3:d=1 hl=2 l= 1 prim: INTEGER :00 #表示版本号
6:d=1 hl=2 l= 19 cons: SEQUENCE
8:d=2 hl=2 l= 7 prim: OBJECT :id-ecPublicKey # 密钥算法标识，这里代表ec
17:d=2 hl=2 l= 8 prim: OBJECT :prime256v1 # 椭圆曲线算法曲线，这里表示为nist-p256
27:d=1 hl=2 l= 109 prim: OCTET STRING [HEX DUMP]:306B0201010420EC466BB7FF97955E1F61FB62D18CEB724F0ABD57681B330B2FBEC7DFFCEFA03DA14403420004347567FAC88DFAB51123C87D4D27598FA0D90CAAB7597115906638D060526CBC5CFEEF13E236F293F8B934A0F3375641EBA4188E856E264176843E8B59C90CE3 # 私钥内容（16进制形式）
总结
本文对密码学中常见的文件类型、编码类型及格式进行了归类说明，同时使用openssl对ec类型私钥的生成、格式转换以及asn1内部表示进行了简单分析，希望读着通过本文的学习，能够对密码学常见的公私钥编码有个初步的认识和了解。
