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基于ASN.1的RSA算法公私钥存储格式解读

news 2025/7/5 9:59:57

1.概述

RFC5958主要定义非对称密钥的封装语法，RFC5958用于替代RFC5208。非对称算法会涉及到1对公私钥，例如按照RSA算法，公钥是n和e，私钥是d和n。当需要将公私钥保存到文件时，需按照一定的格式保存。本文主要定义公私钥保存到文件的语法。目前私钥封装到文件的规范有PKCS#1和PKCS#8，其中主流为PKCS#8。公钥封装通常兼容X.509规范。本文基于RSA算法进行简单说明。

2.PKCS#8私钥

2.1私钥格式

在RFC5958中，私钥的ASN.1语法如下（ASN.1语法可参考之前的文章）

OneAsymmetricKey ::= SEQUENCE {version 						 Version,privateKeyAlgorithm		PrivateAlgorithmIdentifier,privateKey						PrivateKeyattributes 				[0] Attributes OPTIONAL,...,[[2:publickey			[1] PublicKey OPTIONAL]],...
}

PrivateKeyInfo ::= OneAsymmetricKey

2.2 参数说明

Version ::= INTEGER { v1(0),v2(1)}。Version值为0或者1，当值为0时，私钥格式遵循RFC5208。RFC5208中对私钥的定义如下：

PrivateKeyInfo ::= SEQUENCE {version							Version,privateKeyAlgorithm PrivateKeyAlgorithmIdentifier,privateKey					 PrivateKeyattributes			[0]	 IMPLICIT Attributes OPTIONAL
}

Version ::= INTEGER
PrivateKeyAlgorithmIdentifier ::= AlgorithmIdentifier
PrivateKey ::= OCTET STRING
Attributes ::= SET OF Attributes

在非对称算法为RSA非加密模式时，PrivateKeyAlgorithmIdentifier定义在RFC5280，定义如下：

AlgorithmIdentifier ::= SEQUENCE {algorithm		OBJECT IDENTIFIER,parameters		ANY DEFINED BY algoarithm OPTIONAL
}

algorithm的定义在RFC8017 A.1，值为pkcs-1 1,parameters的类型为NULL。pkcs-1 1的值在RFC8017 Appendix C
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PrivateKey定义在PKCS#1（RFC8017 A.1.2 RSA Private Key Syntax），定义如下：

RSAPrivateKey ::=SEQUENCE {version					Version,modulus					INTEGER, --npublicExponent  INTEGER, --eprivateExponent INTEGER, --dprime1					 INTEGER, --pprime2					 INTEGER, --qexponent1			  INTEGER,--d mod (p-1)exponent2			  INTEGER,--d mod (q-1)coefficient			 INTEGER, -- (inverse of q) mod potherPrimeInfos	 OtherPrimeInfos OPTIONAL
}

相关参数含义请查看RSA算法原理。

Attributes等参数为可选值，未深入研究。
因此，当version为0时，私钥格式应如下：

PrivateKeyInfo ::= SEQUENCE {version							Version,privateKeyAlgorithm ::= SEQUENCE {algorithm		OBJECT IDENTIFIER,parameters		ANY DEFINED BY algoarithm OPTIONAL}privateKey					 ::= OCTET STRINGRSAPrivateKey ::= SEQUENCE {version					Version,modulus					INTEGER, --npublicExponent  INTEGER, --eprivateExponent INTEGER, --dprime1					 INTEGER, --pprime2					 INTEGER, --qexponent1			  INTEGER,--d mod (p-1)exponent2			  INTEGER,--d mod (q-1)coefficient			 INTEGER, -- (inverse of q) mod potherPrimeInfos	 OtherPrimeInfos OPTIONAL}attributes			[0]	 IMPLICIT Attributes OPTIONAL
}

3.X.509公钥

在RFC5280中对公钥的定义如下：

SubjectPublicKeyInfo ::= SEQUENCE {algorithm 				AlgorithmIdentifier,subjectPublicKey BIT STRING
}

其中AlgorithmIdentifier和私钥中定义相同（见本文2.2章节）
subjectPublicKey定义在RFC8017 A.1.1

RSAPublicKey ::= SEQUENCE {modulus					INTEGER, --npublicExponent	 INTEGER --e
}

4.文件格式说明

原始公私钥和证书文件应以ASN.1进行编码，编码后的文件是二进制格式。为便于查看，通常会对ASN.1原始编码进行base64并添加头尾信息，形成文本存储格式，此类文件即为PEM文件，通常以.pem、.cer、.key等格式保存。第五章节将详细说明。

5.实践&验证

本章主要基于openssl 3.1版本进行实践，以验证上述理解是否正确。注意：不同版本的openssl生成的公私钥遵循的规范可能有一定差异。尤其是1.X版本

5.1 公钥

我们通过openssl生成公私钥，命令如下
openssl genpkey -algorithm RSA -out private.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048
默认生成PKCS#8 PEM格式的私钥，如下：
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该文件是以-----BEGIN PRIVATE KEY-----为头，-----END PRIVATE KEY-----结尾，中间部分即为PKCS#8私钥的ASN.1原始编码的BASE64后内容。可通过如下步骤进行验证：

将中间部分复制到新文件中，新文件命名为111.txt

2.对111.txt中的内容进行base64解码后，以文本形式打开将是乱码
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3.通过如下命令
openssl rsa -in private.pem -outform DER -out private.der
将PEM格式的私钥转换为ASN.1原始编码的DER格式。
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4.对比转换后的111.txt文件和通过openssl生成的private.der文件，可看到2个文件完全一致。
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通过hexview打开private.pem可以看到原始ASN.1编码
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为便于后续分析，我们使用专业解析工具ASN.1 Editor打开private.pem或者private.der文件，以ASN.1编码形式查看，如下图（关于ASN.1如何理解，请阅读上篇文章）
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在2.1章节总结，当version为0时，私钥格式为

PrivateKeyInfo ::= SEQUENCE {version							Version,privateKeyAlgorithm ::= SEQUENCE {algorithm		OBJECT IDENTIFIER,parameters		ANY DEFINED BY algoarithm OPTIONAL}privateKey					 ::= OCTET STRINGRSAPrivateKey ::= SEQUENCE {version					Version,modulus					INTEGER, --npublicExponent  INTEGER, --eprivateExponent INTEGER, --dprime1					 INTEGER, --pprime2					 INTEGER, --qexponent1			  INTEGER,--d mod (p-1)exponent2			  INTEGER,--d mod (q-1)coefficient			 INTEGER, -- (inverse of q) mod potherPrimeInfos	 OtherPrimeInfos OPTIONAL}attributes			[0]	 IMPLICIT Attributes OPTIONAL
}

对照解析如下：
1.整个文件就是1个SEQUENCE的TLV。T为30，指明是个SEQUENCE。L是82 04 BD，指明V的长度为0x04BD，即1213个字节
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2.随后是SEQUENCE的值内容。内容区应包含三个部分1个Version、1个SEQUENCE、1个OCTET STRING，其中Version为0，如下图，符合预期
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3.SEQUENCE为privateKeyAlgorithm。包含1个类型为OBJECT IDENTIFIER的algorithm和1个parameters。如下图，30为SEQUENCE的T，0D为SEQUENCE的L，06为algorithm的L，09为algorithm的长度，algorithm的值为2A 86 48 86 F7 0D 01 01 01，共9个字节，且值符合2.1章节的分析。parameters为NULL类型
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4.OCTET STRING为privateKey，即存储的私钥信息。首先是个SEQUENCE包裹内容，SEQUENCE中包含9个INTEGER，otherPrimeInfos为可选的，本次证书里没有该内容。
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5.2 公钥

通过openssl命令从私钥中生成公钥，命令如下：
openssl rsa -pubout -in private.pem -out public.pem
同样适用ASN.1 Editor打开公钥public.pem。可以看到公钥整体有1个SEQUENCE，SEQUENCE中包含1个SEQUENCE和1个BIT_STRING，BIT_STRING中是1个SEQUENCE，符合第3章节的X.509的公钥结构。
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具体解读，不再赘述。可参考5.1章节对私钥的解读，按照相同方式解读。

6.总结

本文在前4个章节主要基于相关RFC文档的解读，简单介绍RSA算法的公私钥如何保存到文件中，即RFC相关文档定义了公私钥保存的格式，随后使用ASN.1编码对相关内容进行编码，并按照RFC定义的格式保存到文件中。实际保存到文件中还涉及两种格式：1.原始ASN.1编码以二进制文件格式保存到文件中。2.对原始ASN.1进行BASE64编码，随后添加一个可文本阅读的头和尾，形成pem格式的可阅读文本文件。在第5章节结合OPENSSL实际生成的公私钥进行验证。
本文仅介绍了最简单也是最常见情况下的公私钥存储情况，不涉及加密保存的公私钥等场景。若需深入研究可继续阅读本文中罗列的RFC文档。