密码学及其应用——安全邮件、公钥密码学和PKI

        本教程的学习目标是熟悉与公钥加密和公钥基础设施（PKI）相关的概念。此外，本实验室将借助安全邮件交换进行说明。完成实验室后，学生应该能够获得关于安全邮件交换、公钥加密、数字签名、X.509证书、证书颁发机构、基于PKI的认证等方面的第一手经验。

1. 概述

        在当今的数字时代，网络安全变得越来越重要。公钥加密和公钥基础设施（PKI）是保护信息传输的关键技术，特别是在电子邮件交换中。本实验室旨在通过安全邮件交换的实践操作，让学生深入了解这些重要的网络安全概念。

1.1 公钥加密

        公钥加密是一种加密技术，它使用一对非对称密钥来加密和解密数据。每个用户都有一对密钥：一个公钥和一个私钥。公钥可以公开分享，用于加密信息；私钥则是保密的，仅用户本人知晓，用于解密信息。这种方法确保了即使公钥被公开，没有私钥的情况下也无法解密信息，从而保证了通信的安全性。

1.2 数字签名

        数字签名是公钥加密的一个重要应用，它允许消息的发送者用自己的私钥对信息进行加密，接收者则可以使用发送者的公钥来验证信息的真实性。这不仅确保了信息的来源是可验证的，还保证了信息在传输过程中未被篡改。

1.3 X.509证书

        X.509证书是一种电子文件，用于将公钥与其拥有者的身份信息关联起来。证书由信任的证书颁发机构（CA）签发，以确保公钥的真实性和可信度。使用X.509证书可以帮助用户验证公钥所属的个人或组织身份，从而增强通信的安全性。

1.4 证书颁发机构

        证书颁发机构（CA）是负责发放、管理、撤销公钥证书的权威机构。CA的存在是PKI体系中的核心，它通过颁发证书来确保网络中公钥的真实性和可信度。

1.5 基于PKI的认证

        公钥基础设施（PKI）是一套用于管理公钥加密和数字证书的技术和服务体系。它包括用于创建、管理、存储、分发和撤销数字证书的硬件、软件、人员、政策和标准。PKI的目标是为电子文档提供安全的加密和数字签名服务，以保障信息的完整性、认证性和不可否认性。

        通过实际操作安全邮件交换的过程，学生不仅能学习到理论知识，还能获得实践经验，深入理解公钥加密、数字签名、X.509证书、证书颁发机构和基于PKI的认证等核心概念，为将来在网络安全领域的学习和工作打下坚实的基础。

2. 实验环境和组织

2.1 工作组织

        即使你们是以小组形式工作，你们也应该使用不同的电脑进行操作。

2.2 OpenSSL

        在本实验室中，我们将使用OpenSSL命令和库。这些应该已经安装在大学的计算机上。如果你希望在自己的电脑上进行这个实验，你需要额外安装OpenSSL。需要注意的是，OpenSSL也可以在Windows下运行，但是某些练习可能无法像在Linux下那样正常工作，因此，如果你选择在自己的Windows电脑上做实验，需要准备花更多时间解决问题。

2.3 一些可能会对你有帮助的链接

        本实验室需要大量的自主工作。仔细阅读任务和提供的支持材料。不要犹豫，做自己的研究，并在网络上寻找解决遇到问题的解决方案。这里有一个与OpenSSL相关的示例资源：https://www.madboa.com/geek/openssl/

2.4 证书颁发机构

        证书颁发机构（CA）是一个受信任的实体，负责发放数字证书。数字证书证明了证书主题所命名的公钥的所有权。认证依赖于CA的签名，这也包含在证书中。这是我们希望你学到的主要概念之一。

        为了使CA有用，它必须被广泛信任。在撰写本文时，一些商业CA被视为根CA；IdenTrust、Comodo和Symantec是最大的CAs。想要从商业CA获取数字证书的用户需要支付费用。Let’s Encrypt（LE）是这些CAs的一个替代品，它是一个提供免费X.509证书的CA。然而，LE颁发的证书并不覆盖所有用例，例如保护电子邮件。

3 实验任务

        在第一个任务中，我们将使用另一个免费的，但尚未广泛接受的证书颁发机构（CA）。在剩余的任务中，我们将创建我们自己的CA。

3.1 任务1：获取个人证书并发送签名邮件

        在这个任务中，我们将学习如何获取免费的个人证书，并使用它们来签名我们的发出邮件。这个任务需要配置一个电子邮件客户端（或更正式地说，一个邮件用户代理（MUA））。对于Linux、Windows和Mac OS X，存在多种MUA。我们将使用开源的、多平台的电子邮件客户端Mozilla Thunderbird，它已经在大学的计算机上安装，用于本实验室。

3.2 具体步骤包括

3.2.1 获取个人证书

        首先，需要从一个提供免费个人证书的证书颁发机构（CA）获取一个证书。虽然这样的CA可能不像商业CA那样广泛接受，但对于我们的实验来说已经足够了。

3.2.2 配置Mozilla Thunderbird

        安装并打开Mozilla Thunderbird。按照指示配置你的电子邮件账户，以便可以接收和发送邮件。

3.2.3 导入个人证书

        一旦获得个人证书，需要将其导入到Thunderbird中。通常，这涉及到导入证书文件，并可能需要输入一个密码来完成导入过程。

3.2.4 使用证书签名邮件

        配置好个人证书后，当发送邮件时，可以选择使用证书来对邮件进行签名。这样，收件人可以验证邮件的真实性，即确认邮件确实来自于声明的发送者，并且在传输过程中未被篡改。

3.2.5 发送并验证签名邮件

        向一个或多个接收者发送一个签名的邮件。收件人可以使用你的公钥（通过你的证书提供）来验证邮件签名的真实性。

        通过完成这个任务，你将学习到如何在日常的电子邮件通信中增加一个额外的安全层次，即通过使用数字证书来签名邮件。这不仅提升了邮件的安全性，还增加了发送者身份的可信度。