理解和使用 GPG

参考：GPG 官方网站

基础知识

要理解 GPG 的设计和原理。需要具备加密算法的基本知识，参见：理解 ssl/tls 协议: 从加密算法到 ssl/tls。

GPG 简介

学术界发明了各种加密算法，这些算法最早军事和情报领域得以应用。

随着信息革命的不断深化，加密算法在工业界也逐步落地，上面提到的 ssl/tls 就是一种应用场景。

ssl/tls 面向的是是个人和组织间安全通讯的标准，即 C/S 架构。而 GPG (GunPG) 提供的是一套基于加密算法实现的一套标准的安全工具包，该工具实现了 IETF OpenPGP 标准。

该工具主要提供了如下两个核心能力：

key 管理（公私钥管理）
数据签名和校验、数据加密和解密

该工具的应用场景如下所示：

电子邮件加密传输
git commit 签名
管理 ssh key
文件加密存储

安装 GPG

Linux：常见的发行版已预装 GPG，如 Debian 系列、RHEL 系列等.

MacOS：

brew install gpg

使用 GPG

Key 管理

核心概念

参考：简明 GPG 概念

Key 管理是 GPG 的核心功能，GPG Key 不能简单的理解为非对称加密的 Private Key / Public Key / Key Pair。GPG Key 由如下信息组成：

Key ID: 该 GPG Key 的唯一标识，值为主公钥的指纹，支持多种格式(Fingerprint, Long key ID, Short key ID)，更多参见：What is a OpenPGP/GnuPG key ID?。
UID: 1 个或多个，每个 UID 由 name、email、comment 组成，email 和 comment 可以为空。
Expire: 过期时间，可以为永久。

多个具有不同用途的非对称加密算法中的 Key 的集合。

key 分类参见下表。

类型	全名	缩写	用途 (Usage)	说明
主私钥	Secret Key	sec	SC	每个 GPG Key 有且只有一个主私钥，可以选择一种或多种 Usage
主公钥	Public Key	pub	SC	每个 GPG Key 有且只有一个主公钥，可以选择一种或多种 Usage
子私钥	Secret Subkey	ssb	S/A/E	每个 GOG Key 可以有多个子私钥，每个子私钥可以选择一种或多种 Usage
子公钥	Public Subkey	sub	S/A/E	每个 GOG Key 可以有多个子公钥，每个子公钥可以选择一种或多种 Usage

主秘钥和主公钥（Primary Key）、子秘钥和子公钥（Sub Key）都是成对出现的，其用途也是一致的。
每一对都包含一个 key id 属性（为 public key 的指纹），其中主密钥/主公钥的 key id 就是当前 GPG Key 的 Key ID。
上面提到的用途，如下表所示：

缩写	全名	用途
C	Certificating	管理证书，如添加/删除/吊销子密钥/UID，修改过期时间。
S	Signing	签名，如文件数字签名、邮件签名、Git 提交。
A	Authenticating	身份验证，如登录。
E	Encrypting	加密，如文件和文本。

注意具有 C 的密钥是主密钥，只有这个密钥可以用于：
- 添加或吊销子密钥的用途
- 添加、更改或吊销密钥关联的身份（UID）
- 添加或更改本身或其他子密钥的到期时间
- 为了网络信任目的为其它密钥签名

GPG Public Key 说明如下：
- 在非对称加密中的的公钥，公钥是需要公开发布的。同样的 GPG Public Key 也需要公开发布，但 GPG Public Key 由如下内容组成：
  - 主公钥和所有子公钥的。
  - 有效期和吊销信息。
  - 所有 UID 信息。
- GPG Public Key 会使用 GPG 的主秘钥进行签名，以防止公钥被篡改。
- 删除和吊销 GPG Public Key 中的 Sub Key 和 UID。
  - 删除，针对已公开的 GPG Public Key，如果其他人已经加载了这个 GPG Public Key。则这个删除将不会生效（原因是：GPG 在更新一个 GPG Public Key 是合并操作，因此删除是无效的），如果没有公开过，则删除生效。
  - 吊销。标记 GPG Public Key 中 Public Subkey / UID，将添加一个“吊销”标记，这样如果其他人已经加载了这个 GPG Public Key，只要更新了，就会知道该 Public Subkey / UID 不可用了（参考： GPG应用指南）。

生成 Primary Key

执行如下命令，交互式的生成一个新的 Primary Key：

gpg --full-gen-key
# 请选择您要使用的密钥类型，您的选择是？：选择 (1) RSA 和 RSA ，兼容性最好。
# 您想要使用的密钥长度？： 4096，安全性较好。
# 密钥的有效期限是？： (0) 永久。
# 构建用户标识以辨认您的密钥
#    真实姓名： rectcircle
#    电子邮件地址： [email protected]
#    注释：
#    您选定了此用户标识：
#        “rectcircle <[email protected]>”
# 输入 Primary Key 保护秘钥。

最后，输出如下：

gpg: ~/.gnupg/trustdb.gpg：建立了信任度数据库
gpg: 目录‘~/.gnupg/openpgp-revocs.d’已创建
gpg: 吊销证书已被存储为‘~/.gnupg/openpgp-revocs.d/89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B.rev’
公钥和私钥已经生成并被签名。

pub   rsa4096 2022-07-17 [SC]
      89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B
uid                      rectcircle <[email protected]>
sub   rsa4096 2022-07-17 [E]

列出 Key

列出所有公钥 gpg --list-keys --keyid-format long，输出如下：

~/.gnupg/pubring.kbx
-----------------------------------
pub   rsa4096/7C5D945596EE795B 2022-07-17 [SC]
      89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B
uid                   [ 绝对 ] rectcircle <[email protected]>
sub   rsa4096/D50B14322C993EBE 2022-07-17 [E]

列出所有私钥 gpg --list-secret-keys --keyid-format long，输出如下：

~/.gnupg/pubring.kbx
-----------------------------------
sec   rsa4096/7C5D945596EE795B 2022-07-17 [SC]
      89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B
uid                   [ 绝对 ] rectcircle <[email protected]>
ssb   rsa4096/D50B14322C993EBE 2022-07-17 [E]

可以看出，上文生成 Primary Key 的命令生成了：

主公钥(pub)和主私钥(sec): 用于签名和管理证书 (SC)
子公钥(sub)和子私钥(ssb)：用于加密 (E)

更新 UID

进入编辑密钥，可以添加、设置主 UID、吊销和删除 UID。

gpg --edit-key 89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B
# 添加一个新的 UID
adduid
# 选中第一个 uid
uid 1
# 将选中的 uid 设置为主 uid
primary
# 取消选中第一个 uid
uid 1
# 选中第二个 uid
uid 2
# 吊销选中的 uid
revuid
# 删除选中的 uid
deluid
# 保存，不保存所有操作都不会生效
save

添加 Sub Key

进入编辑密钥，可以 Sub Key。

# --expert 为专家模式，可以添加用于 Authenticate 的 SubKey
gpg --expert --edit-key 89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B
# 添加新的用于签名的 Sub Key，选择  (6) RSA（仅用于加密），其他和创建 Primary Key 一致
addkey
# 添加新的用于签名的 Sub Key，选择  (4) RSA（仅用于签名），其他和创建 Primary Key 一致
addkey
# 添加新的用于的 Sub Key，选择  (8) RSA（自定义用途），然后让，目前启用的功能只有，身份验证（Authenticate）
# 其他和创建 Primary Key 一致
addkey
# 保存，不保存所有操作都不会生效
save

最后，执行 gpg --list-secret-keys --keyid-format long 列出所有 Key，输出如下所示：

~/.gnupg/pubring.kbx
-----------------------------------
sec   rsa4096/7C5D945596EE795B 2022-07-17 [SC]
      89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B
uid                   [ 绝对 ] rectcircle <[email protected]>
ssb   rsa4096/D50B14322C993EBE 2022-07-17 [E]
ssb   rsa4096/50235B5E033D3535 2022-07-17 [S]
ssb   rsa4096/CA45E598414ADA5F 2022-07-17 [A]

删除 Sub Key

gpg --expert --edit-key 89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B
list
# 选中的 key
key 1
# 删除选中的 key
delkey
# 如果需要应用，需执行 save 命令。
# save

吊销 Sub Key

gpg --expert --edit-key 89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B
list
# 选中的 key
key 1
# 删除选中的 key
revkey
# 如果需要应用，需执行 save 命令。
# save

导出 GPG Public Key

导出

# 打印 GPG Public Key 到标准输出
gpg --armor --export 89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B
# 打印 GPG Public Key 文件
gpg --output my.pub --armor --export 89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B

导出 GPG Private Key

# 保存 GPG Private Key (包含 主私钥和所有子私钥) 到文件
gpg --output all.pri --armor --export-secret-keys 89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B
# 保存 GPG 主私钥到文件 (注意后面的感叹号)
gpg --output primary.pri --armor --export-secret-key 7C5D945596EE795B!
# 保存 GPG 所有子私钥到文件
gpg --output all-subkey.pri --armor --export-secret-subkeys 89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B

删除

# 删除私钥（交互式的选择删除那些秘钥）
gpg --delete-secret-keys UID 或 子秘钥 KeyID 或 主密钥 KeyID
# 删除公钥 (如果存在对应个私钥，需先删除；如果该公钥对应的私钥没有主私钥，只有子私钥，该操作也会直接删除对应的子私钥，因此可能会导致子秘钥丢失)
gpg --delete-keys UID 或 子秘钥 KeyID 或 主密钥 KeyID

导入

gpg --import 导出的文件

公布 PGG Public Key

参考：使用公钥服务器

该操作会将 GPG Public Key 公布到 GPG Key Server 上，以便其他人可以使用你的 GPG Public Key。目前默认的 GPG Key Server 地址是：hkps://hkps.pool.sks-keyservers.net （源码）。

gpg --send-keys 89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B

注意：一旦发布，则无法删除，公钥中包含 UID，如果包含多个 UID，则可能存在隐私泄漏的风险，关于安全风险，参见：2021年，用更现代的方法使用PGP（下） - 安全风险和争议，被玩坏的KeyServer

文件加密解密

# 文件加密（使用公钥）
gpg --recipient D50B14322C993EBE --output input.txt.gpg --encrypt input.txt
# 文件解密（使用私钥）
gpg --output input2.txt --decrypt input.txt.gpg

文件签名验证

# 文件签名 (使用私钥)，文件内容也包含到输出文件中（二进制）
gpg --output input.txt.gpg --sign input.txt
# 签名验证 (使用公钥)，文件内容也包含到输出文件中（ascii）
gpg --output input2.txt --decrypt input.txt.gpg

# 文件签名 (使用私钥)，文件内容也包含到输出文件中（二进制）
gpg --output input.txt.gpg --clearsign input.txt
# 签名验证 (使用公钥)，文件内容也包含到输出文件中（ascii）
gpg --output input2.txt --decrypt input.txt.gpg

# 文件签名 (使用私钥)，只生成签名文件，不包含原始内容（推荐）
gpg --output input.txt.asc --armor --detach-sign input.txt
# 签名验证 (使用公钥)
gpg --verify input.txt.asc input.txt

git commit 签名

参考： github docs | gitlab docs

按照上文，添加 Sub Key，添加一个仅用于签名的 RSA SubKey，进行如下配置：

将 gpg public key 配置到代码托管平台。执行 gpg --armor --export 89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B，将输出的文本，上传到 Github/Gitlab 用户配置页的 GPG 秘钥配置项。
执行 gpg --list-secret-keys --keyid-format long 选取一个具有 [S] 用途的 key id 作为签名 key（即上面创建的用于签名的 sub key），执行 git config --global user.signingkey 50235B5E033D3535，告知 git 用于加密的 key。

如果是 Mac，需执行如下操作（zsh）：

if [ -r ~/.zshrc ]; then echo 'export GPG_TTY=$(tty)' >> ~/.zshrc; \
else echo 'export GPG_TTY=$(tty)' >> ~/.zprofile; fi
brew install pinentry-mac
echo "pinentry-program $(which pinentry-mac)" >> ~/.gnupg/gpg-agent.conf
killall gpg-agent

最后，如果想为 commit 签名，git commit 需添加 -S 参数，如 git commit -S -m "feat: 测试 git gpg 签名"。如果默认开启签名，通过 git config --global commit.gpgsign true 配置项配置。

SSH 登录

按照上文，添加 Sub Key，添加一个仅用于身份验证（Authenticate）的 RSA SubKey。
配置步骤，参见：2021年，用更现代的方法使用PGP（中）。

邮件加密

目前，主流电子邮件提供商，已经开启了全量的 SSL 加密，因此 GPG 在电子邮件场景的进行加密显得有些上古了，在此不多阐述了。

最佳实践

UID 规划

在 GPG 中一个 Key 可以包含多个 UID，这就意味着，一个 Key 可以表示一个人的多种身份，比如，一个开发者，只有一个 Key，该 Key 包含如下 UID：

<公司用户名> <公司 Email>
<开源用户名> <个人 Email>

这种做法，是符合 GPG 的最佳实践的。但是，在现实中，这种做法可能存在一定的风险。

隐私风险，GPG Public Key 是公开的，所有人都可以都可以从 GPG Public Key 中获取到 UID 列表，且不可撤销。
法律风险，从该公司离职了，要怎么做呢？吊销公司 UID，吊销公司用的 SubKey？

因此，建议拆分成两个 Key，公司和个人的 GPG Key 分离。公司的 GPG Key 仅用于公司相关场景。个人的 GPG Key 仅用于个人非商业相关场景。

Sub Key 规划

GPG Key 中的 Primary Key，默认情况下具有两个能力，S 和 C，但按照 GPG 的设计，Primary Key 的作用仅仅用于管理 SubKey，而不用于具体的加密、签名、身份验证等具体场景。此外，尽量一个 SubKey 只做一个事情。

以上文添加 Sub Key 为例：

~/.gnupg/pubring.kbx
-----------------------------------
sec   rsa4096/7C5D945596EE795B 2022-07-17 [SC]
      89F61268D036DF3C3BA931C07C5D945596EE795B
uid                   [ 绝对 ] rectcircle <[email protected]>
ssb   rsa4096/D50B14322C993EBE 2022-07-17 [E]
ssb   rsa4096/50235B5E033D3535 2022-07-17 [S]
ssb   rsa4096/CA45E598414ADA5F 2022-07-17 [A]

最后，添加了三个 subkey，分别用于：加密、签名和身份认证。

安全性和隐私

本部分主要参考： 2021年，用更现代的方法使用PGP（中）

生成设备

个人的 GPG Key 建议使用非公司的个人设备生成，并避免联网。

吊销证书备份

在上文生成 Primary Key 中可以看到，其命令生成了一个吊销证书的文件。

上文可以看到，在 Primary Key 未丢失的情况下，可以使用 Primary Key 吊销某个 SubKey 和 UID。

但是 GPG 提供了一种额外的安全机制，可以通过一个称为吊销证书的文件，来实现在 Primary Key 丢失的情况下，吊销整个 Public Key。

因此从安全性角度来看，吊销证书的重要性是大于 Primary Key，是整个系统最后的保证兜底手段。因此，吊销证书应该存在在比 Primary Key 更安全的地方，并多存储一份。

主密钥备份

主要考虑到主密钥设备是用来管理 SubKey 的，如果其泄漏了，真个 Key 将都不可用了，影响范围过大。所以，基于前文提到的 Primary Key 不做加密、签名、身份验证等具体场景。建议：

Primary Key 只离线保留一份。也就是说，建议生成完成 SubKey 备份完成后，彻底将 Primary Key 设备中删除。

主密钥子秘钥备份

为了安全性，在完成 SubKey 的生成后，应该将 Primary Key 导出到安全的外部设备，如加密的 U 盘、云盘、私有 github 仓库等个人认为安全的地方。

Subkey 也需要备份，但是其安全等级相对来说低于 Primary Key。因为如果一个用于解密邮件的 SubKey 丢失了，可以用 Primary Key 直接吊销 SubKey，重新生成。

但是用于加密文件的 SubKey 丢失后果还是很严重的，将导致加密后的文件永远无法打开了。因此，SubKey 也至少备份一份。

公布 GPG Public Key

按照上文说明，可以将 GPG Public Key 通过 Key Server 公布到网络上。也可以将 GPG Public Key 公布到个人博客中。

需要注意的是，某些 Key Server 一旦公布将不能撤销，因此需要注意 UID 是否会泄漏个人隐私。