PGP 簡介(轉)

PGP 簡介(轉)[@more@]

摘要

　　本文主要簡介PGP的歷史，PGP的工作流程，以及PGP用到的加密、解密演算法，最後簡要介紹PGP的金鑰管理機制。(2002-07-05 08:25:19)

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By 書生

　　本文主要簡介PGP的歷史，PGP的工作流程，以及PGP用到的加密、解密演算法，最後簡要介紹PGP的金鑰管理機制。

　　PGP(Pretty Good Privacy)，是一個基於RSA公匙加密體系的郵件加密軟體。可以用它對郵件保密以防止非授權者閱讀，它還能對郵件加上數字簽名從而使收信人可以確認郵件的傳送者，並能確信郵件沒有被篡改。它可以可以提供一種安全的通訊方式，而事先並不需要任何保密的渠道用來傳遞密匙。它採用了一種RSA和傳統加密的雜合演算法，用於數字簽名的郵件文摘演算法，加密前壓縮等，還有一個良好的人機工程設計。它的功能強大，有很快的速度。而且它的原始碼是免費的。

　　實際上PGP的功能還包括： PGP可以用來加密檔案，還可以用PGP代替UUencode 生成RADIX 64 格式（就是MIME 的 BASE 64格式）的編碼檔案。

　　PGP 的創始人是美國的 Phil Zimmermann。他的創造性在於他把RSA公匙體系的方便和傳統加密體系的高速度結合起來，並且在數字簽名和密匙認證管理機制上有巧妙的設計。因此PGP成為幾乎最流行的公匙加密軟體包。

1.首先簡要介紹PGP加密系統的流程。

　　PGP加密系統是採用公開金鑰加密與傳統金鑰加密相結合的一種加密技術。它使用一對數學上相關的鑰匙，其中一個（公鑰）用來加密資訊，另一個（私鑰）用來解密資訊。

　　PGP採用的傳統加密技術部分所使用的金鑰稱為“會話金鑰”（sek）。每次使用時，PGP都隨機產生一個128位的IDEA會話金鑰，用來加密報文。公開金鑰加密技術中的公鑰和私鑰則用來加密會話金鑰，並透過它間接地保護報文內容。

　　PGP中的每個公鑰和私鑰都伴隨著一個金鑰證書。它一般包含以下內容：

金鑰內容(用長達百位的大數字表示的金鑰)

金鑰型別(表示該金鑰為公鑰還是私鑰)

金鑰長度(金鑰的長度，以二進位制位表示)

金鑰編號(用以唯一標識該金鑰)

建立時間

使用者標識 (金鑰建立人的資訊，如姓名、電子郵件等)

金鑰指紋(為128位的數字，是金鑰內容的提要表示金鑰唯一的特徵)

中介人簽名(中介人的數字簽名，宣告該金鑰及其所有者的真實性，包括中介人的金鑰編號和標識資訊)

　　PGP把公鑰和私鑰存放在金鑰環(KEYR)檔案中。PGP提供有效的演算法查詢使用者需要的金鑰。

　　PGP在多處需要用到口令，它主要起到保護私鑰的作用。由於私鑰太長且無規律，所以難以記憶。PGP把它用口令加密後存入金鑰環，這樣使用者可以用易記的口令間接使用私鑰。

　　PGP的每個私鑰都由一個相應的口令加密。PGP主要在3處需要使用者輸入口令：

需要解開受到的加密資訊時，PGP需要使用者輸入口令，取出私鑰解密資訊

當使用者需要為檔案或資訊簽字時，使用者輸入口令，取出私鑰加密

對磁碟上的檔案進行傳統加密時，需要使用者輸入口令

2.以上介紹了PGP的工作流程，下面將簡介與PGP相關的加密、解密方法以及PGP的金鑰管理機制。

　　PGP是一種供大眾使用的加密軟體。電子郵件透過開放的網路傳輸，網路上的其他人都可以監聽或者擷取郵件，來獲得郵件的內容，因而郵件的安全問題就比較突出了。保護資訊不被第三者獲得，這就需要加密技術。還有一個問題就是資訊認證，如何讓收信人確信郵件沒有被第三者篡改，這就需要數字簽名技術。RSA 公匙體系的特點使它非常適合用來滿足上述兩個要求：保密性（Privacy)和認證性（Authentication）。

　　RSA（Rivest-Shamir-Adleman）演算法是一種基於大數不可能質因數分解假設的公匙體系。簡單地說就是找兩個很大的質數，一個公開即公鑰，另一個不告訴任何人，即私鑰。這兩個密匙是互補的，就是說用公匙加密的密文可以用私匙解密，反過來也一樣。

　　假設甲要寄信給乙，他們互相知道對方的公匙。甲就用乙的公匙加密郵件寄出，乙收到後就可以用自己的私匙解密出甲的原文。由於沒別人知道乙的私匙，所以即使是甲本人也無法解密那封信，這就解決了信件保密的問題。另一方面由於每個人都知道乙的公匙，他們都可以給乙發信，那麼乙就無法確信是不是甲的來信。這時候就需要用數字簽名來認證。

　　在說明數字簽名前先要解釋一下什麼是“郵件文摘”(message digest)。郵件文摘就是對一封郵件用某種演算法算出一個最能體現這封郵件特徵的數來，一旦郵件有任何改變這個數都會變化，那麼這個數加上作者的名字（實際上在作者的密匙裡）還有日期等等，就可以作為一個簽名了。PGP是用一個128位的二進位制數作為“郵件文摘”的，用來產生它的演算法叫MD5 (message digest 5)。 MD5是一種單向雜湊演算法，它不像CRC校驗碼，很難找到一份替代的郵件與原件具有同樣的MD5特徵值。

　　回到數字簽名上來，甲用自己的私匙將上述的128位的特徵值加密，附加在郵件後，再用乙的公匙將整個郵件加密。這樣這份密文被乙收到以後，乙用自己的私匙將郵件解密，得到甲的原文和簽名，乙的PGP也從原文計算出一個128位的特徵值來和用甲的公匙解密簽名所得到的數比較，如果符合就說明這份郵件確實是甲寄來的。這樣兩個安全性要求都得到了滿足。

　　PGP還可以只簽名而不加密，這適用於公開發表宣告時，宣告人為了證實自己的身份，可以用自己的私匙簽名。這樣就可以讓收件人能確認發信人的身份，也可以防止發信人抵賴自己的宣告。這一點在商業領域有很大的應用前途，它可以防止發信人抵賴和信件被途中篡改。

　　PGP用的實際上是RSA和傳統加密的雜合演算法。因為RSA演算法計算量極大在速度上不適合加密大量資料，PGP實際上用來加密的不是RSA本身，而是採用了一種叫IDEA的傳統加密演算法。傳統加密，一般說來說就是用一個密匙加密明文，然後用同樣的密匙解密。這種方法的代表是DES，也就是乘法加密，它的主要缺點就是密匙的傳遞渠道解決不了安全性問題，不適合網路環境郵件加密需要。IDEA的加（解）密速度比RSA快得多，所以實際上PGP是以一個隨機生成密匙（每次加密不同）用IDEA演算法對明文加密，然後用RSA演算法對該密匙加密。這樣收件人同樣是用RSA解密出這個隨機密匙，再用IDEA解密郵件本身。這樣的鏈式加密就做到了既有RSA體系的保密性，又有IDEA演算法的快捷性。PGP利用這種鏈式加密，既保證了保密性，又保證了加密的速度。

　　PGP最核心的功能是：檔案加密、通訊加密和數字簽名。下面將簡介一些PGP輔助功能，它們雖然不是整個加密系統的核心，但卻起到了協調各部分和方便使用者的作用。這兒主要介紹PGP的金鑰管理機制。

　　一個成熟的加密體系必然要有一個成熟的密匙管理機制配套。公匙體制的提出就是為了解決傳統加密體系的密匙分配過程難以保密的缺點。如果密匙是透過網路傳送，那麼網路上其他人就可以透過監聽得到。舉個例子：Novell Netware 的老版本中，使用者的密碼是以明文線上路中傳輸的，這樣監聽者輕易就獲得了他人的密碼。當然 Netware 4.1 中資料包頭的使用者密碼現在是加密的了。對PGP來說公匙本來就要公開，就沒有防監聽的問題。但公匙的釋出中仍然存在安全性問題，例如公匙的被篡改 (Public Key Tampering)，這可能是公匙密碼體系中最大的漏洞。必須有一種機制保證使用者所得到的公鑰是正確的，而不是別人偽造的。下面舉一個例子來說明這個問題，以及如何正確地用PGP堵住這個漏洞。

　　假設Mike想給Alice發封信，那他必須有Alice的公匙。該使用者從BBS上下載了Alice的公匙，並用它加密了信件用BBS的Email功能發給了Alice。但是，另一個使用者叫Charlie的使用者潛入BBS，把他自己用Alice的名字生成的密匙對中的公匙替換了Alice的公匙，而參與通訊的這兩個人都不知道。那麼Mike用來發信的公匙就不是Alice的而是Charlie的，一切看來都很正常。於是Charlie就可以用他手中的私匙來解密Mike給Alice的信，甚至他還可以用Alice真正的公匙來轉發Mike給Alice的信，這樣誰都不會起疑心，他如果想改動Mike給 Alice的信也沒問題。甚至他還可以偽造Alice的簽名給Mike或其他人發信，因為這些使用者手中的公匙是偽造的，他們會以為真是Alice的來信。

　　防止這種情況出現的最好辦法是避免讓任何其他人有機會篡改公匙，比如直接從Alice手中得到她的公匙，然而這在很多情況下是比較困難的。PGP發展了一種公匙介紹機制來解決這個問題。舉例來說：如果Mike和Alice有一個共同的朋友David，而David知道他手中的Alice的公匙是正確的（關於如何認證公匙，PGP還有一種方法，後面會談到，這裡假設David已經和Alice認證過她的公匙）。這樣David可以用他自己的私匙在 Alice的公匙上簽名，表示他擔保這個公匙屬於Alice。當然Mike需要用David的公匙來校驗他給出的Alice的公匙，同樣David也可以向Alice認證Mike的公匙，這樣David就成為Mike和Alice之間的“介紹人”。這樣Alice或David就可以放心地把David簽過字的Alice的公匙上載到BBS上讓Mike去拿，沒人可能去篡改它而不被發現，即使是BBS的管理員。這就是從公共渠道傳遞公匙的安全手段。

　　那麼怎麼能安全地得到David的公匙呢，確實有可能Mike拿到的David的公匙也是假的，但這就要求這個偽造金鑰的人參與這整個過程，他必須對這三個人都很熟悉，還要策劃很久，這一般不可能。當然，PGP對這種可能也有預防的建議，那就是由一個大家普遍信任的人或機構擔當這個角色，即所謂的“密匙侍者”或“認證權威”（認證中心），每個由他簽字的公匙都被認為是真的，這樣大家只要有一份他的公匙就行了，認證這個人的公匙是方便的，因為他廣泛提供這個服務，假冒他的公匙是很極困難的，因為他的公匙流傳廣泛。這樣的“權威”適合由非個人控制組織或政府機構充當，現在已經有等級認證制度的機構存在。

　　對於那些非常分散的人們，PGP更贊成使用私人方式的密匙轉介方式，因為這樣有機的非官方途徑更能反映出人們自然的社會交往，而且人們也能自由地選擇信任的人來介紹。總之和不認識的人們之間的交往一樣。每個公匙有至少一個“使用者名稱”(User ID)，最好再加上本人的Email地址，以免混淆。

3.下面，再介紹如何透過電話認證密匙。

　　每個密匙有它們自己的標識（keyID），keyID是一個八位十六進位制數，兩個密匙具有相同keyID的可能性是幾十億分之一，而且PGP還提供了一種更可靠的標識密匙的方法：“密匙指紋”(key's fingerprint)。每個密匙對應一串數字（十六個兩位十六進位制數），這個指紋重複的可能就更微乎其微了。而且任何人無法指定生成一個具有某個指紋的密匙，密匙是隨機生成的，從指紋也無法反推出密匙來。這樣當拿到某人的公匙後就可以和他在電話上核對這個指紋，從而認證他的公匙。如果無法直接和通訊的另一方直接通電話，可以和公鑰介紹機制中的中間介紹人通電話認證該介紹人的公匙，從而透過介紹人認證了通訊另一方的公匙，這就是直接認證和間接介紹的結合。

　　這樣又引出一種方法，就是把具有不同人簽名的自己的公匙收集在一起，傳送到公共場合，這樣可以希望大部分人至少認識其中一個人，從而間接認證了你的公匙。同樣你簽了朋友的公匙後應該寄回給他，這樣就可以讓他可以透過你被你的其他朋友所認證。和現實社會中人們的交往一樣。PGP會自動為你找出你拿到的公匙中有哪些是你的朋友介紹來的，那些是你朋友的朋友介紹來的，哪些則是朋友的朋友的朋友介紹的……它會幫你把它們分為不同的信任級別，讓你參考決定對它們的信任程度。你可以指定某人有幾層轉介公匙的能力，這種能力是隨著認證的傳遞而遞減的。

　　轉介認證機制具有傳遞性，這是個有趣的問題。PGP的作者Phil Zimmermann說過一句話：“ 信賴不具有傳遞性；我有個我相信決不撒謊的朋友。可是他是個認定總統決不撒謊的傻瓜，可很顯然我並不認為總統決不撒謊。”

　　上面所說的是關於公匙的安全性問題，這是PGP安全的核心。另外，和傳統單密匙體系一樣，私匙的保密也是決定性的。相對公匙而言，私匙不存在被篡改的問題，但存在洩露的問題。RSA的私匙是很長的一個數字，使用者不可能將它記住，PGP的辦法是讓使用者為隨機生成的RSA私匙指定一個口令(pass phase)。只有透過給出口令才能將私匙釋放出來使用，用口令加密私匙的方法保密程度和PGP本身是一樣的。所以私匙的安全性問題實際上首先是對使用者口令的保密。當然私匙檔案本身失密也很危險，因為破譯者所需要的只是用窮舉法（強力攻擊）試探出口令了，雖說很困難但畢竟是損失了一層安全性。需要說明的是：最好不要把私鑰寫在紙上或者某一檔案裡，因為這樣很容易被別人得到在這裡。

　　PGP在安全性問題上的審慎考慮體現在PGP的各個環節。比如每次加密的實際密匙是個隨機數，大家都知道計算機是無法產生真正的隨機數的。PGP程式對隨機數的產生是很審慎的，關鍵的隨機數像RSA密匙的產生是從使用者敲鍵盤的時間間隔上取得隨機數種子的。對於磁碟上的 randseed.bin 檔案是採用和郵件同樣強度的加密的。這有效地防止了他人從randseed.bin檔案中分析出加密實際密匙的規律來。

4.最後提一下PGP的加密前預壓縮處理，PGP核心使用PKZIP演算法來壓縮加密前的明文。

　　一方面對電子郵件而言，壓縮後加密再經過7bits編碼密文有可能比明文更短，這就節省了網路傳輸的時間。另一方面，明文經過壓縮，實際上相當於經過一次變換，資訊更加雜亂無章，對明文攻擊的抵禦能力更強。PKZIP演算法是一個公認的壓縮率和壓縮速度都相當好的壓縮演算法。在PGP中使用的是PKZIP 2.0版本相容的演算法。

5.參考書目：

Philip Zimmermann : “PGP User’s Guide Volume I : Essential Topics”

NAI

microsof