原文地址：简明 GPG 概念 - 知乎缘起我在 Git 提交了一个变更，可是 Git 只记录了我的姓名和邮箱，怎样才能确保不被坏人冒名顶替？ 你可能想到了：加个数字签名呗。 没错，GPG 就可以干这个活儿。 基础GPG 的内涵要比 SSH 登录密钥丰富得多。我们…https://zhuanlan.zhihu.com/p/137801979

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缘起

我在 Git 提交了一个变更，可是 Git 只记录了我的姓名和邮箱，怎样才能确保不被坏人冒名顶替？

你可能想到了：加个数字签名呗。

没错，GPG 就可以干这个活儿。

基础

GPG 的内涵要比 SSH 登录密钥丰富得多。我们先看看 GPG 密钥能干什么：

可以看出来，SSH 登录密钥实际上只用到了 [A] 这一项能力，所以简单易懂。现在让我们挑战更高难度的 GPG 吧！

如果你对非对称加密没有概念，可以看看这篇通俗易懂的解释：

如何用通俗易懂的话来解释非对称加密?283 赞同 · 27 评论回答

加密与签名

▲ 加密过程中：

  1. 别人用你的公钥加密数据后发给你；
  2. 这些数据只有你的私钥能解密。

▲ 签名过程中

  1. 你先用摘要算法（例如 SHA-256）给数据提取出一个指纹（摘要、哈希值）；
  2. 你用私钥，把这串哈希值加密，得到一个数字签名，和文件一起发出去；
  3. 别人收到文件＋签名后，先计算文件的哈希值；
  4. 别人用你的公钥，从数字签名中解密出你给的哈希值，和他计算的对比，如果两者一致，那么签名就是有效的。

注意这两个过程中，私钥的作用是相反的：

  • 加密方案中的私钥：用于解密信息
  • 签名方案中的私钥：用于加密信息

GPG 密钥的能力中， [C]、[S]、[A] 均属于签名方案，只有 [E] 是加密方案。

你可能会奇怪：公私钥是可互换的吗？

  • 是的！数学上来讲，它们是等价的，可以角色互换。

    • 一个加密另一个就能解密。
  • 但是！在具体的算法实现上，两者有很大不同。
    • 我们要保证加密-解密的高效，同时保证抗破解的安全。
    • 实际应用中的私钥与公钥生成，算法设计上是有偏向的。
    • 这也是为什么 GPG 会为密钥分出不同用途，用户方便，算法设计者也方便。

PGP 与 GPG 是啥关系？

我们这里简化概念，你只需要了解这几点就好了：

  • GPG

    • 就是 GnuPG 就是 GNU Privacy Guard，是一款自由软件。
    • 我们用它完成各种具体操作：生成密钥对、签名／验证、加密／解密。
  • OpenPGP
    • 是一套开放的互联网标准。
    • GPG 是这套标准的实现。
    • OpenPGP 有一套信任体系：Web of Trust（信任之网）。
    • OpenPGP 有一套开放的公钥服务器池：SKS Keyservers，用户可以自由上传自己的公钥。

如今最早的商业软件 PGP（Pretty Good Privacy）只活在维基百科中，几乎所有 PGP 都指的是 OpenPGP。你知道就行，我们不咬文嚼字。

细节

GPG 的吊销证书

如果你的 SSH 登录私钥丢了，你只需要告诉对应服务器就行了，让服务器删除相应公钥。
除非你的组织要求很严格，否则你应该不太想在 SSH 上倒腾有效期、吊销证书、短期证书这些问题。

而 GPG 的公钥因为需要被广为人知，所以一旦私钥丢了就很麻烦，得通知所有人“我这个公钥不能信了”。
因此 GPG 多了一个“吊销证书”（revocation certificate），拿着这个证书你就能证明“我就是我，我的身份证丢了，你们赶紧把丢了的那个作废”。
而其他人呢，看到你在原来的证书基础之上，又发布了这么一张吊销证书，就知道原来的证书已经不可信了。

GPG 的过期时间

GPG 密钥对可以设置“过期时间”，也可以永久有效，你可以随便设置。
当你发布公钥的时候，里面就包含了过期时间信息。
别人也就知道，在这个时间过后，该证书的签名是无效的。

很多人会选择一个懒人方案：给主密钥设置一个很长的过期时间，给子密钥设置一个较短的过期时间。

GPG 的子密钥

GPG 非常明智地设计了 subkey 机制，让用户免去给自己设计证书信任链的麻烦，我们先看个例子：

  • 主私钥必须有【认证 [C]】这个能力，且这项能力只能属于主私钥。
  • 主私钥可以同时拥有【认证 [C]】、【签名 [S]】、【身份验证 [A]】三项能力。
  • 子私钥可以同时拥有【签名 [S]】、【身份验证 [A]】两项能力。
  • 【加密 [E]】能力必须属于独立的子私钥，因为加密用的是不同的算法变体（和签名不一样）。

看到这里你可能已经明白了，一个 GPG 密钥对之所以可以有这么多能力，是因为它本质上是若干密钥对的集合，只不过它们被封装到了一起。
所有子密钥的有效性，都来自于主密钥的认证。
子密钥可以在没有主密钥的情况下单独使用。

子密钥的公钥

你可能会奇怪，这些子密钥的公钥呢？
实际上子密钥的公钥是存在的，也可以导出，但 GPG 为了防止用户误用，把这项功能藏得很深。
毕竟，如果子密钥的公钥也单独使用，那就跟自己设计一个证书信任链没什么区别了。
我们在实际使用中，导出的“公钥”实际上是一组公钥，其中就包括了被主私钥【认证 [C]】后的各个子公钥。信任关系很明确，不是吗？

单一公钥机制对于服务端的验证特别友好，无论用户有多少个子密钥，服务器只需要一份证书（公钥）就够了，而不需要额外开销，去查询这份证书是哪个上级签发的。
比如 GitHub、GitLab 的 GPG 功能，就只认用户上传的 GPG 公钥，而不从任何信任体系中获取上级证书。

子密钥的吊销

从图中可以看出来，整个“密钥串”只有一张吊销证书，一旦这张证书发布，主密钥即被吊销，连带着子密钥一并吊销。

那子密钥丢失了怎么办呢？

GPG 不允许用户生成子密钥的吊销证书，而是把变更都放在唯一的公钥中，简洁且不易出错。
你只需要编辑“大”密钥，将子密钥单独吊销，然后重新发布公钥即可，这样大家就都知道了。

GPG 的用户身份（UID）

uid 即 user id

一个 uid 由三个部分组成：

  • 全名（一般是实名）
  • 注释（用 ( ) 包括）
  • 邮箱地址（用 < > 包括）

这三个部分都是可选的，只要有一项即可。

例如：

Han Meimei <email@example.com>
Han Meimei (Work) <hanmm@company.com>
Han Meimei (Product) <hanmm@company.com>

  • 一个密钥可以有多个 uid，方便不同场合使用。
  • uid 与哪个子密钥无关，uid 是作用于整个密钥的。
  • uid 可以随时添加，但已有的 uid 不能修改，只能单独吊销。
  • uid 单独吊销后，只需要重新发布公钥即可。

如果你希望只用一个密钥，但某些身份不公开，你需要小心配置你的公钥，不过最好还是另外用一个密钥。

应用

GPG 与 Git

Git 本身的默认设置非常简单，你提交（commit）到本地仓库的时候只需要提供一个用户名和邮箱地址，Git 会据此记录本次提交。
如果有人稍微懂点歪脑筋，用同你一样的用户名和邮箱提交，就有可能冒名顶替。
比如这个演示： https://github.com/jayphelps/git-blame-someone-else

当然，如何验证提交者身份，各大平台都有自己的措施，但其中有一种方法是通用的，就是 GPG 签名。
你用私钥签了名，提交并推送，服务器就会用公钥来验证，看看这个提交是不是“真的是你干的”，于是别人就不能冒名顶替了。

加密算法的选择

还记得我们之前提到的加密与签名概念吗？实际上，非对称加密的应用主要就是这两大方向，具体算法会针对两个方向优化出不同的变体。

比如椭圆曲线加密算法中的 Curve 25519 算法，用于签名时，变体为 ed25519；用于加密时，就是原装的 cv25519。
RSA 用于加密和签名时都叫 RSA，但是具体实现还是略有不同。

以实际的 GPG 密钥举例：

可以看出来，只有 [E] 类是 cv25519 算法，其它都是 ed25519 算法。

最近几年 ed25519 在 SSH 登录中很流行，因为这个算法在安全性（相对 RSA 2048）更好的同时，性能大幅领先，这对于 SSH 快速登录很有意义。
但从专业人士的观点来看：（ https://security.stackexchange.com/questions/143083/ssh-key-strength-factor-besides-key-length-say-ed25519-vs-rsa-4096 ）
RSA 4096 的强度还是要大于 ed25519 的。

笔者粗略总结为：

可以放心地说，在 2030 年之前，前两名的安全性都是充足的。具体的选择，往往取决于使用场景。

  • RSA 对随身安全硬件的兼容性较好，比如 YubiKey 5 支持 RSA 4096，但不支持 Curve 25519。
  • RSA 2048 的适用性很好，很多硬件为其提供了加速。

笔者建议，主密钥使用 RSA 4096，子密钥可以任意选择：

  • 如果你使用 GPG 主要是用于签名，不在乎一时的性能，选择更安全的 RSA 4096 不会有错。
  • 如果你需要兼容性，需要面向广大的受众，那么 RSA 2048 是保守稳妥的选择。
  • 如果你不关心电脑以外的设备，不关心老旧的软件，那么可以用更快的 Ed25519。

附：概念对比

同义词

证书 = 公钥

指纹 = 摘要 = 哈希值 = 杂凑值

密钥能力 = 密钥用途

GPG 与 SSH

  • SSH (Secure Shell) 用于交互通信过程中的安全，是双向的。
  • GPG (GNU Privacy Guard) 既可用于加密，也可用于签名，这些都是单向的。
  • 私钥在 SSH 中被称为 private key，而在 GPG 中被称为 secret key。
  • 公钥则都叫 public key。
  • 一般来讲，SSH 的公钥只有你的服务器知道，别人也不需要知道。
  • GPG 的公钥就不一样了，巴不得全世界知道，告诉大家“认准这个证书，谨防假冒！”
  • 对于 SSH，建议一站一钥，万一丢了也好处理。
  • 对于 GPG，一把主钥＋多个子钥即可。
  • 如果你明白了 GPG 的多用途，完全可以把 GPG 的子密钥 [A] 用于 SSH 登录。

SSH 虽然用起来简单，但毕竟是安全通信，实际发生的登录过程并不简单：

  • 对称加密算法的性能，比非对称加密算法高很多，因此通信的主要内容，还是要用对称加密。
  • 对称加密需要双方使用相同的密码，如何在不告诉对方密码的前提下，互相使用一样的密码（会话密钥），就要用到密钥交换算法。
  • 在折腾完这一通，建立起安全通信后，才开始互相的身份验证。首先是用户拿手里的服务器公钥，验验服务器是不是真货。
  • 用户第一次连接服务器时，手里没有服务器的公钥，因此客户端会问用户要不要信任服务器发来的公钥。这是经典的中间人攻击切入点。
  • 到现在用户的 SSH 私钥才派上用场，服务器拿它手里的用户公钥，验验用户是不是本尊，完成登录。
  • 即使登录上了，双方也会时不时更换会话密钥，保证通信的安全性。

GPG 与 TLS

TLS 基于“集中式”的信任链，它依赖于操作系统出厂内置的【根证书】，用户默认信任根证书，因此才能信任根证书签发的二级、三级证书（公钥）。
要给网站启用 HTTPS 流量加密，我们需要先【申请】 TLS／SSL 证书，这本质上是请求签发机构【信任】你。用户信任你的上级单位 → 上级单位信任你 → 用户信任你。

GPG 并不搞集中式，虽然开源世界中有不少 GPG 公共服务器组成的【公钥服务器池】（Web of Trust），但 GPG 将信任与否的决定权交给用户。
当然，你也可以把自己的公钥上传到服务器池，方便他人悉知。

引用 依云 的一句话：
https://bbs.archlinuxcn.org/viewtopic.php?id=9906

世界上有两种密钥信任体系，PGP 的 web of trust 和 TLS 证书的 CA。前者是社交化的，相信你所相信的人。后者是相信权威。

参考

如果你还是有所疑惑，请阅读这一系列文章：

《用 PGP 保护代码完整性》

  • https://linux.cn/article-9524-1.html
  • https://linux.cn/article-9529-1.html
  • https://linux.cn/article-9607-1.html
  • https://linux.cn/article-10402-1.html
  • https://linux.cn/article-10415-1.html
  • https://linux.cn/article-10421-1.html
  • https://linux.cn/article-10432-1.html

上面这些链接文章非常值得阅读

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