OpenSSL 加密大型檔案指令教學與範例

介紹如何使用 OpenSSL 指令，以 AES 與 RSA 這兩個對稱式與非對稱式加密演算法，加密與解密大型檔案。

本篇文章屬於個人學習記錄，內容可能有誤，僅供參考，請勿用於正式環境。

產生測試檔案

首先要產生一個測試加密用的大檔案，產生的方式有很多種，任選一種來使用即可：

# 建立大小為 100MB 的檔案
fallocate -l 100M sample.txt

# 從 /dev/urandom 讀取亂數建立大小為 100MB 的檔案
dd if=/dev/urandom of=sample.txt bs=100M count=1

# 從 /dev/urandom 讀取亂數建立大小為 100MB 的檔案
head -c 100M /dev/urandom > sample.txt

以上三種方式都會建立一個檔案名稱為 sample.txt 的測試檔案，其檔案大小為 100MB，以下我們將使用這種加密方式，來對這個檔案進行加密與解密。

AES 對稱式加密

AES 是目前主流的對稱式加密演算法，可以用一支金鑰（或密碼）對資料進行加密，而解密時也是使用同一支金鑰，AES 支援的金鑰長度有 128 位元、192 位元與 256 位元三種，以下是 OpenSSL 常見的一些 AES 加密指令。

密碼加密與解密

最單純的 AES 對稱式加密方式，就是直接以輸入的密碼進行加密：

# 以 AES-256 方式搭配 CBC 模式加密
openssl enc -aes-256-cbc -pbkdf2 -p -in sample.txt -out sample.txt.enc

enter AES-256-CBC encryption password:
Verifying - enter AES-256-CBC encryption password:
salt=3BFFA34D495F97DE
key=F420AAE47B421879E3DC5CBB727623437B511F3DFE5D94DEFCA99031A5AEF276
iv =F4AC0251A02EEAE548C897D58CC35D2F

上面這行指令執行時，會讓使用者從鍵盤輸入兩次密碼，而加密後會顯示 salt、key 與 iv 資訊，其中各參數的意義如下：

enc：進行對稱式加密。
-aes-256-cbc：採用 AES-256 搭配 CBC 模式加密。
-pbkdf2：採用 PBKDF2 演算法。
-p：輸出 salt、key 與 iv 資訊。
-in sample.txt：指定輸入的未加密檔案為 sample.txt。
-out sample.txt.enc：指定輸出的加密檔案為 sample.txt.enc。

若要將加密的 sample.txt.enc 解密，只要將原本的指令加上 -d 這個解密參數，並指定好輸入與輸出檔案即可，而 -p 參數在解密時就可以不必放了：

# 以 AES-256 方式搭配 CBC 模式解密
openssl enc -aes-256-cbc -d -pbkdf2 \
    -in sample.txt.enc -out sample_decrypted.txt

OpenSSL 支援的對稱式加密演算法有很多，某些演算法若沒有正確使用，會造成安全性問題，對於初學者來說建議採用高強度的 AES 演算法搭配 CBC 模式，也就是這裡我們採用的模式。若要查詢 OpenSSL 所支援的對稱式加密演算法清單，可以使用以下指令：

# 列出 OpenSSL 所有支援的對稱式加密演算法
openssl enc -list

# 查詢 OpenSSL 對稱式加密演算法文件
man openssl-enc

金鑰檔案加密與解密

另一種 AES 對稱式加密方式是先以亂數產生一組金鑰，將金鑰儲存在檔案中，再以這個金鑰檔案進行 AES 加密。以下指另可產生亂數金鑰：

# 產生亂數金鑰
openssl rand 32 > symmetric_keyfile.key

然後再使用這個金鑰檔案以 AES-256 方式搭配 CBC 模式加密：

# 使用金鑰檔案以 AES-256 方式搭配 CBC 模式加密
openssl enc -aes-256-cbc -pbkdf2 -pass file:./symmetric_keyfile.key \
    -in sample.txt -out sample.txt.enc

以下是以金鑰檔案解密的指令，同樣只是加上 -d 這個解密參數而已，指令結構大同小異：

# 使用金鑰檔案以 AES-256 方式搭配 CBC 模式解密
openssl enc -aes-256-cbc -d -pbkdf2 -pass file:./symmetric_keyfile.key \
    -in sample.txt.enc -out sample_decrypted.txt

這裡使用 -pass 讀取密碼檔時，根據手冊說明，只會讀取密碼檔案中的第一行，所以可能對於二進位檔案會有讀取不完全的問題。

AES 與 RSA 混合加密

在非對稱式加密演算法中，RSA 算是一種廣泛被使用的標準演算法，但是由於 RSA 是一種非常耗費計算資源的演算法，所以不適合用來加密太大的檔案，實務上若希望以非對稱式加密演算法保護資料，會先產生一組亂數金鑰，以 AES 搭配亂數金鑰的方式加密較大的檔案，然後再以 RSA 的公鑰加密那一支亂數金鑰，最後將加密的資料與加密後的亂數金鑰放在一起。而解密時則是以 RSA 私鑰先解開亂數金鑰，再以 AES 搭配亂數金鑰解開真正的資料。

首先依據上面 AES 金鑰檔案加密的描述方式，產生一組亂數金鑰 symmetric_keyfile.key，並以這組亂數金鑰搭配 AES 演算法加密資料。

接著另外產生一組 RSA 私鑰：

# 產生 RSA 私鑰
openssl genpkey -algorithm RSA -out private_key.pem \
    -pkeyopt rsa_keygen_bits:4096

其中各參數的意義如下：

genpkey：產生私鑰。
-algorithm RSA：指定採用 RSA 演算法。
-out private_key.pem：指定輸出的金鑰檔案為 private_key.pem。
-pkeyopt rsa_keygen_bits:4096：設定產生私鑰的選項，將 RSA 私鑰長度設為 4096。

執行之後，會將 RSA 私鑰存放於 private_key.pem 這個檔案中，我們可以查看私鑰的內容：

# 查看 RSA 私鑰內容
cat private_key.pem

然後從 RSA 私鑰產生 RSA 公鑰，將 RSA 公鑰儲存於 public_key.pem：

# 從 RSA 私鑰產生 RSA 公鑰
openssl rsa -pubout -in private_key.pem -out public_key.pem

writing RSA key

查看 RSA 公鑰內容：

# 查看 RSA 公鑰內容
cat public_key.pem

使用 RSA 公鑰加密 AES 的亂數金鑰 symmetric_keyfile.key：

# 以 RSA 公鑰加密亂數金鑰
openssl pkeyutl -encrypt -inkey public_key.pem -pubin \
    -in symmetric_keyfile.key -out symmetric_keyfile.key.enc

經過 RSA 加密過後的 AES 亂數金鑰，會儲存於 symmetric_keyfile.key.enc 這個檔案中，將這個檔案跟加密後的資料一起存放，這樣就完成整個加密的動作了。

在解密的階段，先以 RSA 私鑰解密亂數金鑰：

# 以 RSA 私鑰解密亂數金鑰
openssl pkeyutl -decrypt -inkey private_key.pem \
    -in symmetric_keyfile.key.enc -out symmetric_keyfile.key

解開 AES 亂數金鑰 symmetric_keyfile.key 之後，再以上面敘述的 AES 金鑰檔案解密方式，進行資料的解密。

產生測試檔案

AES 對稱式加密

密碼加密與解密

金鑰檔案加密與解密

AES 與 RSA 混合加密

參考資料