项目

说明

实验名称

RSA 非对称加密与混合加密实战

实验平台

天枢一体化虚拟仿真平台

终端环境

openEuler 24.03 LTS

核心算法

RSA-2048（非对称）、AES-256-CBC（对称）、SM2（国密非对称）

前置实验

建议先掌握 AES 对称加密

openssl version        # 预期 OpenSSL 3.0.x

which openssl

说明:openEuler 24.03 LTS 默认集成 OpenSSL 3.0+，完整支持 RSA 非对称加密与 AES 对称加密，无需额外安装。

mkdir -p ~/crypto_lab/alice ~/crypto_lab/bob ~/crypto_lab/board

# alice = 爱丽丝（发送方），bob = 鲍勃（接收方）

# board = 公钥公告板（模拟公钥目录 / 共享文件夹）

提示:只有一台机器时，开两个终端窗口分别扮演爱丽丝和鲍勃即可；本指导书命令都在同一台机器上用目录模拟，路径已写全。

cd ~/crypto_lab/alice

# 生成 RSA-2048 私钥

openssl genpkey -algorithm RSA -out alice_private.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

# 从私钥中提取公钥

openssl rsa -pubout -in alice_private.pem -out alice_public.pem

预期输出（类似）

....+...+.+...++....（生成密钥时的随机数进度点）

writing RSA key

参数

含义

genpkey

通用密钥生成命令（OpenSSL 3.x 推荐，替代旧的 genrsa）

-algorithm RSA

指定生成 RSA 算法密钥

-pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

密钥长度 2048 位（安全基线，密文固定 256 字节）

rsa -pubout

从私钥文件导出对应的公钥

安全纪律：alice_private.pem 是私钥，绝不发给任何人、不上传公告板！一旦私钥泄露，所有用对应公钥加密的消息都可被解密。

cat alice_public.pem

openssl rsa -in alice_private.pem -text -noout | head -10

预期输出（公钥，可公开）

cd ~/crypto_lab/bob

openssl genpkey -algorithm RSA -out bob_private.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

openssl rsa -pubout -in bob_private.pem -out bob_public.pem

cat bob_public.pem

# 爱丽丝发布公钥、取回鲍勃公钥

cp ~/crypto_lab/alice/alice_public.pem ~/crypto_lab/board/

cp bob_public.pem ~/crypto_lab/board/

cd ~/crypto_lab/alice

cp ~/crypto_lab/board/bob_public.pem ./

# 鲍勃发布公钥、取回爱丽丝公钥

cp ~/crypto_lab/bob/bob_public.pem ~/crypto_lab/board/

cp ~/crypto_lab/board/alice_public.pem ~/crypto_lab/bob/

# 双方各自验证拿到了对方公钥

ls -l ~/crypto_lab/alice/bob_public.pem

ls -l ~/crypto_lab/bob/alice_public.pem

观察：公钥在公告板上谁都能看到——但这没关系。公钥的设计初衷就是可以公开，攻击者拿到公钥只能“锁信”，不能“开箱”。

cd ~/crypto_lab/alice

echo "今晚7点老地方见" > msg.txt

cat msg.txt

# 用鲍勃的公钥加密（-pubin 表示输入是公钥）

openssl pkeyutl -encrypt -pubin -inkey bob_public.pem -in msg.txt -out msg.enc

参数

含义

rsautl -encrypt

RSA 加密操作

-pubin

告诉 OpenSSL -inkey 指向的是公钥（默认按私钥读取）

-inkey bob_public.pem

用鲍勃的公钥加密

-in / -out

输入明文 / 输出密文

od -v -An -t x1 msg.enc

ls -l msg.txt msg.enc

预期输出（密文每次不同，以下为某次真实结果）

明文 msg.txt 23 字节  →  密文 msg.enc 256 字节

结论：RSA-2048 密文长度恒等于密钥长度（2048 ÷ 8 = 256 字节），与明文长短无关；明文只有 23 字节，密文也是 256 字节。

# 模拟网络传输：把密文送到鲍勃目录

cp ~/crypto_lab/alice/msg.enc ~/crypto_lab/bob/

cd ~/crypto_lab/bob

# 用鲍勃自己的私钥解密

openssl pkeyutl -decrypt -inkey bob_private.pem -in msg.enc -out msg_decrypted.txt

cat msg_decrypted.txt

diff ~/crypto_lab/alice/msg.txt msg_decrypted.txt  && echo "消息完全一致"

预期输出

核心结论：用鲍勃公钥锁的消息，只有鲍勃私钥能开——连爱丽丝自己都解不开，因为他没有鲍勃的私钥。注意 diff 比较时要写全爱丽丝原始文件的路径（爱丽丝的 msg.txt 在 alice 目录下）。

cd ~/crypto_lab/bob

echo "好的，准时到" > reply.txt

openssl pkeyutl -encrypt -pubin -inkey alice_public.pem -in reply.txt -out reply.enc

cp reply.enc ~/crypto_lab/alice/

cd ~/crypto_lab/alice

openssl pkeyutl -decrypt -inkey alice_private.pem -in reply.enc -out reply_decrypted.txt

cat reply_decrypted.txt   # 预期：好的，准时到

cd ~/crypto_lab/bob

openssl pkeyutl -decrypt -inkey bob_private.pem -in reply.enc -out wrong.txt

预期现象（两种都属正常，都证明解密失败）

结论：公钥和私钥必须配对：用谁的公钥加密，就只能用谁的私钥解密。判断解密是否成功，要看输出内容是不是预期明文，而不能只看命令有没有报错。

cd ~/crypto_lab/alice

# 生成 32 字节（256 位）密码学随机密钥，Base64 编码

openssl rand -base64 32 > session_key.key

cat session_key.key

# 用鲍勃公钥加密这把会话密钥

openssl pkeyutl -encrypt -pubin -inkey bob_public.pem -in session_key.key -out session_key.enc

预期输出（会话密钥每次不同，某次真实结果）

echo "银行卡号是 6222 8888 6666 1234，密码是 123456"  > secret_msg.txt

openssl enc -aes-256-cbc -a -salt -pbkdf2 -pass file:./session_key.key -in secret_msg.txt -out secret_msg.enc

说明：-pass file:路径 表示口令从文件内容读取（即把会话密钥当口令）；-pbkdf2 为 OpenSSL 3.x 推荐派生方式，加解密两边都要加。

cp session_key.enc ~/crypto_lab/bob/

cp secret_msg.enc ~/crypto_lab/bob/

cd ~/crypto_lab/bob

# 私钥解开会话密钥

openssl pkeyutl -decrypt -inkey bob_private.pem -in session_key.enc -out session_key_decrypted.key

cat session_key_decrypted.key

# 用会话密钥 AES 解密消息

openssl enc -d -aes-256-cbc -a -pbkdf2  -pass file:./session_key_decrypted.key -in secret_msg.enc -out secret_msg_decrypted.txt

cat secret_msg_decrypted.txt

diff ~/crypto_lab/alice/secret_msg.txt secret_msg_decrypted.txt && echo "消息完整还原"

预期输出

总结：网络上传输的始终是两个密文，明文会话密钥从未出网；即使攻击者截获全部流量，没有鲍勃私钥就拿不到会话密钥，也就解不开消息。这就是微信、Signal、HTTPS 的通用模式：非对称递钥匙，对称锁内容。

cd ~/crypto_lab/alice

# 造一个 300 字节的文件

head -c 300 /dev/zero | tr '\0' 'A' > big.txt

# 尝试直接 RSA 加密（pkeyutl 为 OpenSSL 3.x 推荐命令）

openssl pkeyutl -encrypt -pubin -inkey bob_public.pem -in big.txt -out big.enc

预期输出（加密失败）

对照验证：把文件截成 245 字节再加密则成功（密文仍是 256 字节、解密完全还原）；246 字节起失败。

实验授权提示：本步骤是授权教学环境中的攻击演示，仅用于理解公钥认证的重要性，请勿对真实系统操作。

mkdir -p ~/crypto_lab/mallory && cd ~/crypto_lab/mallory

openssl genpkey -algorithm RSA -out mallory_private.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

openssl rsa -pubout -in mallory_private.pem -out mallory_public.pem

# 偷偷把公告板上“鲍勃的公钥”换成自己的

cp mallory_public.pem ~/crypto_lab/board/bob_public.pem

cd ~/crypto_lab/alice

cp ~/crypto_lab/board/bob_public.pem bob_public_fake.pem

echo "银行卡号是 6222 8888 6666 1234" > bank.txt

openssl pkeyutl -encrypt -pubin -inkey bob_public_fake.pem -in bank.txt -out bank.enc

cp bank.enc ~/crypto_lab/mallory/   # 攻击者截获密文

cd ~/crypto_lab/mallory

openssl pkeyutl -decrypt -inkey mallory_private.pem -in bank.enc -out bank_stolen.txt

cat bank_stolen.txt

预期输出（攻击成功）

核心教训：消息被攻击者完整窃取——算法没有被破解，是爱丽丝认错了公钥。仅有公钥还不够，必须能证明“这个公钥确实属于鲍勃”，即公钥归属认证。