GPG安全文件交换

JohnYan
735 阅读10分钟

场景和原理

在我们的日常工作中，经常会有需要在内部和外部直接进行文件交换的需求。比如通过QQ、微信、电子邮件附件等等。 但大多数普通人，并没有很好的信息安全意识，很多文件就直接发送和传输了，造成了很大的信息泄露和安全风险。

有的人稍微好点，安全意识和工具使用能力较强，就知道把文件打个包，同时使用密码保护一下。或者对于Office和pdf文件，使用编辑工具设置一个密码。一般而言，比较新的软件都使用了诸如AES等先进的加密算法来进行保护，这一点是没有太大的问题的。主要的问题在于密码的管理和交换，因为为了方便，他们通常不会使用太复杂的密码，另外，他们可能会使用短信或者其他聊天工具，把密码告诉接收文件的人，其实这个环节，才是整个流程中最大的安全漏洞。它会造成几个主要问题：

  • 加密的安全和强调，取决于密码的复杂性，但会牺牲方便性
  • 文件本身的安全可以受到加密算法和密码的保护，但密码本身的交换和传输，可能存在漏洞
  • 使用密码的另外一个问题，在于如果密码泄露，使用密码的人并不知道这个情况，任何拿到密码和文件(加密文件也可能是在公开渠道上传输的)的人，都有机会和能力来解密文件，而不为加密者所知
  • 解密的人，其实也无法确认这个信息就是由加密者提供的

这些问题看起来比较麻烦，但实际上，在技术上已经有比较完善的解决方案。但遗憾的是，由于认知和使用习惯的问题，应用的并不普遍。简单而言，就是使用非对称(公私钥加密)加密技术，从密码学技术的角度出发，这个问题可以这样解决：

  • 交换信息的双方(我们称为Charlie和Steven)，分别各自生成一对公钥和私钥
  • 私钥必须由个人私下保存(还可以使用密码加密)，不能分享
  • 公钥可以公开，比如可以放在网站上，或者电子邮件传输，当然最安全的方式是当面交给对方并且验证
  • 双方交换或者使用某种方式获取对方的公钥
  • 如果Charlie要向Steven发送信息，可以使用Steven的公钥进行加密，然后将密文传送给Steven
  • 同时Charlie可以使用自己的私钥，对信息进行签名
  • Steven收到信息后，使用自己的私钥对信息进行解密(因为是Charlie使用匹配的公钥加的密)
  • 同时Steven还可以使用Charlie的公钥，对信息进行签名，从而确认这个信息确实来自Charlie
  • 在这个过程中，其实信息也是使用一个密钥进行加密的，但这个密钥并不需要进行传递，因为它是通过自己的私钥和对方的公钥协商计算出来的，算法可以保证其安全性

大致的流程如下图所示：

gpgprocess.jpg

GPG

GPG就是基于前面描述的非对称加密技术，开发的通用文件和信息加密软件套件。GPG(GNU Privacy Guard, GNU 隐私保护程序)是RFC4880定义的OpenPGP标准的一个完整的实现，而且是遵循GNU开源协议的自由软件。GPG内置多种密钥管理系统，支持多种公钥目录，可以依此对数据和通信进行加密和签名，来保护信息安全和隐私。GPG也提供了对S/MIME和SSH的支持，可以用于安全的电子邮件和远程访问终端。

在类Unix和Linux系统中，通常使用命令行来操作和使用GPG。在Windows系统中，可以使用其Windows实现版本- GPG4Win。

gnupg.org

www.gpg4win.org

一般流程

我们从一个实际的文件加密、传输和解密的使用流程和场景出发，来了解一下GPG使用的一般流程。

Charlie有一个文件需要传输给Steven；他需要使用GPG来保证这个过程的安全。

  • steven安装GPG软件

Charlie告知Steven，需要他的公钥和GPG来对文件进行加密，这时候Steven没有GPG软件，也没有公钥，他需要先安装一个。Steven使用的是Windows操作系统，所以他先到GPG4Win网站上，下载并安装了GPG4Win软件。

g1.png

安装完成后，steven就可以使用GPG来进行下一步工作了。可能是由于移植的原因,GPG4Win的安装和普通的Windows程序不一样，它会在Program Files目录下建立GPG目录和GPG4Win目录，也就是说，其实它保留了全套的GPG命令行工具；另外，它提供了相关的Windows GUI工具，来提供Windows程序的体验。实际上，我们日常使用的核心GUI程序名为Kleopatra(不是你想象的gpg4win.exe)。

  • steven生成公钥

安装完成后，他需要生成他的公钥和私钥对。在开始菜单中启动Klopatra。在程序"文件"菜单中选择新建密钥对，输入属主名称、电子邮件地址和密码(可选)可以创建这个密钥对。创建成功后，会出现在密钥列表中。

g3.png

在高级设置中，我们可以看到GPG可以使用ECDSA\ECDH和ed25519等先进的椭圆曲线非对称加密技术。

g2.png

  • steven导出和发布公钥

steven可以直接将公钥导出，然后发给clarlie。但为了以后使用的方便，他还可以将其公钥发布到公钥目录中(使用菜单"在服务器上发布")，这样任何人都可以检索并使用他的公钥，来给他发送加密的文件和信息了。发布成功后，steven就可以不需要将公钥导出发送给charlie，而直接告诉charlie他已经将公钥发布，而且使用其电子邮件地址(生成时使用的)就可以搜索了。

g4.png

这里有一个问题是，GPG支持标准的公钥目录服务，所以，不同的GPG程序，它们可能使用的是不同的目录服务器地址。所以steven可能还需要将目录服务地址告诉charlie，这里是(程序安装默认，可以在设置中看到):

hkps://keyserver.ubuntu.com

  • Charlie安装和配置GPG

在加密操作之前，Charlie也要按照GPG软件，他使用Debian系统，可以使用apt命令来安装GPG。 然后使用GPG命令来使用GPG的相关功能。GPG的主程序只有一个，所有功能都是通过参数进行设置。笔者高度怀疑，GPG4Win的核心也是这个主程序，然后套了一个Windows界面方便菜单操作而已。

// 安装```
sudo apt install gpg

// 生成密钥
gpg --full-generate-key

// 查看当前密钥
gpg --list-secret-keys
gpg --list-public-keys
  • charlie导入steven的公钥

charlie可以使用命令行，在目录服务器上搜索并且导入steven的公钥。

gpg --keyserver hkps://keyserver.ubuntu.com --search steven@live.com  
gpg: data source: https://162.213.33.9:443  
(1) steven <steven@live.com>  
263 bit EDDSA key 7491D41AFEFC468F, created: 2023-05-26  
Keys 1-1 of 1 for "steven@live.com". Enter number(s), N)ext, or Q)uit > 1  
gpg: key 7491D41AFEFC468F: "steven <steven@live.com>" not changed  
gpg: Total number processed: 1  
gpg: unchanged: 1

--keyserver 用于设置命令使用的公钥目录服务器

--search 用于搜索公钥并且导入

--rev-keys 用于直接根据密钥ID来导入密钥

  • charlie加密文件

导入公钥后，charlie可以使用steven的公钥，来对文件(这里是tosteven.txt)进行加密：


gpg --encrypt -r steven@live.com tosteven.txt  
gpg: 632C342197D202B2: There is no assurance this key belongs to the named user  
  
sub cv25519/632C342197D202B2 2023-05-26 steven <steven@live.com>  
Primary key fingerprint: 92EE 058F DDB3 AF6F CB2F 0D22 7491 D419 FEFC 468F  
Subkey fingerprint: B995 12E3 D450 83A7 81F4 5E1F 632C 3421 97D2 02B2  
  
It is NOT certain that the key belongs to the person named  
in the user ID. If you *really* know what you are doing,  
you may answer the next question with yes.  
  
Use this key anyway? (y/N) y

cat tosteven.txt.gpg  
�^c,4!���@�>���{��"��� Ͻ�%j��nh =0V '���� ��E4|b#e+�o��Rh��Be*'�5  
�=j!�[]��׾(F*/�U�6�up�k�1  
^�R�(���8~�-�Ԇ��d��'[8��w��o56��9��o���d  
D��J���7FS�E���[�

可以使用的参数包括：

--encrypt 加密文件

--sign 可选，使用私钥签名

-r 指定要使用的公钥(emailt形式)

如果一切顺利的话，这个指令，会在当前文件夹下生成一个tosteven.txt.gpg的文件，内容就是密文(直接看到的是乱码)了。这样charlie就可以使用任意方式，将这个文件发送给steven。

  • steven解密文件

steven获得加密文件后，可以使用自己的私钥进行解密。同时如果这个文件是带charlie的签名，并且steven已经导入了charlie的公钥的话，还可以用这个公钥对这个文件进行验证，来确保这个文件确实是来自charlie的。

steven还是使用kleopatra程序，工具栏上的"解密/校验"打开这个文件，先校验，然后保存，大概是这样的：

g5.png

打开解密后的文件，就可以查看原始内容：

g7.png

从而完成了一个比较完整的密钥生成-分享公钥-加密信息-验证和解密信息的业务流程。

其他事项

可以看到，GPG的应用是比较简单方便的。其实GPG还有很多强大的功能和安全设置，可以使用。这里简单例举一下，读者有兴趣可以深入研究使用。

  • 公钥认证和吊销

用户可以使用程序或者命令行，手工对公钥进行认证，后续在操作时，可以消除未认证的警告信息。也可以手动吊销某个公钥。

  • 私钥加密

在生成密钥对的时候，可以选择设置使用密码来保护这个私钥，这样在每次使用私钥的时候，都需要进行用户交互来进行解密，进一步提高了密钥使用的安全性。

  • 私钥备份

私钥应当非常私密的进行保管。也应该可以选择将其备份起来，避免由于系统故障而导致私钥的丢失或者破坏，影响解密操作。GPG工具提供了将私钥进行导出和备份的选项。

  • 加密/签名消息

除了加密文件之外，Kleopatra还直接提供了一个加密记事本功能，可以直接对一段文本进行加密和签名；接到别人传来的加密消息时，也可以在这里进行解密和验证。这样，在聊天软件和电子邮件文本中，使用更加方便。

加密信息:

g9.png

加密后的信息:

ga.png

解密和验证:

gb.png

  • 密钥目录服务

GPG可以设置公钥目录服务器地址(默认地址是 hkps://keyserver.ubuntu.com)。 还支持x.509类型的目录服务(如微软的活动目录)作为公钥服务，这应该是给企业环境中使用的。

g1.png

  • 智能卡

GPG支持多种硬件智能卡，从而提供硬件级别的安全性和使用方便性。使用智能卡，密钥保存和相关密码学操作，都在智能卡内完成，可以脱离操作系统和文件系统，而且密钥的使用也单一并且完全可控的，还有自毁机制，这些特性都提供非常高的安全性。

g2.png

avatar
文章
阅读
粉丝