31.密码学知识-证书CA/PKI-8——2019年12月19日

1. 证书

公钥证书（Public-Key Certificate，PKC)其实和驾照很相似，里面记有姓名、组织、邮箱地址等个人信息，以及属于此人的公钥, 并由认证机构（Certification Authority、Certifying Authority, CA）施加数字签名。只要看到公钥证书，我们就可以知道认证机构认定该公钥的确属于此人。公钥证书也简称为证书（certificate）。

1.1 证书的应用场景

  1. Bob生成密钥对
    • 可以将bob看成百度, 提供是web服务器
    • 生成一个密钥对
      • 公钥 -> 分发
      • 私钥 -> 百度留着
  2. Bob在认证机构Trent注册自己的公钥
    • 百度找了一大家都信赖的机构, 来证明这个公钥是百度的
    • 认证机构会生成一个证书, 写明了公钥属于百度
      • 认证机构也有一个非对称加密的密钥对
      • 认证机构使用自己的私钥对百度的公钥进行签名, 生成了证书
      • 认证机构将证书发送给百度
  4. 认证机构Trent用自己的私钥对Bob的公钥施加数字签名并生成证书
  5. Alice得到带有认证机构Trent的数字签名的Bob的公钥（证书）
    • alice可以看做一个客户 -> 浏览器
    • 客户端访问的百度 -> 得到了百度的证书
      • 证书中有百度的公钥
    • 客户端需要使用认证机构的公钥对证书进行验证
      • 客户端怎么会有认证机构的公钥
        • window会预装, 或者用户自己安装
  6. Alice使用认证机构Trent的公钥验证数字签名，确认Bob的公钥的合法性
    • 使用认证机构的公钥解除百度证书中签名的数据
      • 百度的公钥
      • 百度的域名
      • 百度证书的有效期
  7. Alice用Bob的公钥加密消息并发送给Bob
    • 非对称加密
    • 使用公钥加密 -> 对称加密秘钥分发
  8. Bob用自己的私钥解密密文得到Alice的消息
    • 服务器使用私钥解密 -> 得到对称加密的秘钥

1.2 证书规范和格式 -- x509

X.509是一种非常通用的证书格式。所有的证书都符合ITU-T X.509国际标准，因此(理论上)为一种应用创建的证书可以用于任何其他符合X.509标准的应用。X.509证书的结构是用ASN1(Abstract Syntax Notation One)进行描述数据结构，并使用ASN.1语法进行编码。

X.509规范中一般推荐使用PEM(Privacy Enhanced Mail）格式来存储证书相关的文件。

  • 证书文件的文件名后缀一般为 .crt 或 .cer
  • 对应私钥文件的文件名后缀一般为 .key
  • 证书请求文件的文件名后綴为 .csr
  • 有时候也统一用pem作为文件名后缀。

1.3 CA证书

CA证书顾名思义就是由CA（Certification Authority）机构发布的数字证书。要对CA证书完全理解及其作用，首先要理解SSL。SSL（security sockets layer，安全套接层）是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。SSL3.0版本以后又被称为TLS。SSL位于TCP与各应用层之间，是操作系统向外提供的API。SSL如何保证网络通信的安全和数据的完整性呢？就是采用了两种手段：身份认证和数据加密。首先身份认证就需要用到CA证书了。

  1. 证书的获取和身份的认证

    客户端与服务端需要经过一个握手的过程才能完成身份认证，建立一个安全的连接。握手的过程如下：

    1. 客户端访问服务器（比如：https://www.12306.cn）,发送ssl版本、客户端支持的加密算法等消息。
    2. 服务器向客户端发送ssl版本、加密算法、证书（证书出现了）等消息。
    3. 客户端收到消息后，判断证书是否可信, 若可信，则继续通信，发送消息：

    客户端生成一个随机数，从证书中获取服务器端的公钥，对随机数加密；

    随后信息都将使用双方协定的加密方法和密钥发送, 客户端握手结束。

    1. 服务器端对数据解密得到随机数, 使用协商好的加密算法和秘钥进行通信

  2. 客户端如何验证CA证书是可信任的?

    1. 查看证书的方式:

    Internet选项 -> 内容 -> 证书, 打开证书窗口查看已经安装的证书

    只要电脑上安装了该证书, 就说明该证书是受信任的。使用https协议访问时，服务器发送证书向浏览器时，首先查找该证书是否已在信任列表中，然后对证书进行校验，校验成功，那么就证明证书是可信的。

    下图中受信任的根证书颁发机构下的证书都是根证书。

    证书验证的机制是只要根证书是受信任的，那么它的子证书都是可信的。比如说，我们使用https协议访问了需要百度证书的网站，即使我们不安装百度证书，那么网站也不会提示证书不安全，因为，生成百度证书的根证书Globalsign Root CA - R1证书，在受信任的证书列表中。如果一个证书的根证书是不可信的，那么这个证书肯定也是不可信任的。

    由以上可知，根证书在证书验证中极其重要，而且，根证书是无条件信任的，只要我们将根证书安装上，就说明我们对根证书是信任的。比如我们安装12306的根证书，是出于我们对国家的信任，对网站的信任，我们才放心安装这个根证书。对于一些不安全的网站的证书，一定要慎重安装。

    另外需要知道的是，【受信任的根证书颁发机构】中的证书是windows预先安装的一些证书，都是国际上很有权威的证书机构，他们证书的生成都有很严格的流程，因此他们的证书被认为是安全，就像我们相信银行是安全，所以把钱存入到银行。

    1539272408707

    1. 证书的颁发机构 -> CA
      • 发布根证书
      • 中间证书
      • 个人
    2. 证书的信任链 -> 证书签发机构的信任链

    A是一个可信赖证书签发机构, A信任B, B就有资格去签发证书

    从等级上A比B高一级

  3. 有哪些CA机构?

    世界上较早的数字认证中心是美国的verisign威瑞信公司，在windows的证书窗口中可以看到好多verisign公司生成的证书, 美国的DigiCert

    另外还有加拿大的ENTRUST公司，也是很著名的证书机构。

    中国的安全认证体系分为金融CA和非金融CA。

    • 在金融CA方面，根证书由中国人民银行管理，
    • 非金融CA方面，由中国电信负责。
      • 行业性CA
        • 中国金融认证中心
        • 中国电信认证中心
      • 区域性CA, 区域性CA主要是以政府为背景，以企业机制运行
        • 广东CA中心
        • 上海CA中心

    沃通 --

1.4 公钥基础设施 - PKI

  1. PKI组成的要素
    • 用户
      • 申请证书的人 -> web服务器端
        • 申请证书
          • 生成密钥对 , 或者委托ca生成
          • 将公钥发送给CA
          • ca使用自己的私钥对得到公钥签名
          • 将证书发送给用户
        • 发送证书
          • 当客户端访问服务器的时候发送证书给客户端
        • 注销证书
          • 当发现私钥泄露之后
      • 使用证书的人 -> 客户端
        • 接收证书
        • 验证对方的身份信息
    • CA认证机构
      • 可以生产密钥对(可选)
      • 对公钥签名
      • 吊销证书
    • 仓库
      • 存储证书 -> 公钥

2. SSL/TLS

  • SSL：（Secure Socket Layer，安全套接字层），为Netscape所研发，用以保障在Internet上数据传输之安全，利用数据加密(Encryption)技术，可确保数据在网络上之传输过程中不会被截取。当前版本为3.0。它已被广泛地用于Web浏览器与服务器之间的身份认证和加密数据传输。
    SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间，为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层： SSL记录协议（SSL Record Protocol）：它建立在可靠的传输协议（如TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。 SSL握手协议（SSL Handshake Protocol）：它建立在SSL记录协议之上，用于在实际的数据传输开始前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。
  • TLS：(Transport Layer Security，传输层安全协议)，用于两个应用程序之间提供保密性和数据完整性。
    TLS 1.0是IETF（Internet Engineering Task Force，Internet工程任务组）制定的一种新的协议，它建立在SSL 3.0协议规范之上，是SSL 3.0的后续版本，可以理解为SSL 3.1，它是写入了 RFC 的。该协议由两层组成： TLS 记录协议（TLS Record）和 TLS 握手协议（TLS Handshake）。较低的层为 TLS 记录协议，位于某个可靠的传输协议（例如 TCP）上面。

SSL/TLS协议提供的服务主要有：

  1. 认证用户和服务器，确保数据发送到正确的客户机和服务器；
  2. 加密数据以防止数据中途被窃取；
  3. 维护数据的完整性，确保数据在传输过程中不被改变。

https://tva1.sinaimg.cn/large/006y8mN6ly1g77csgxou8j31540u0tei.jpg

  1. 描述的是客户端和服务器刚建立连接之后做的事情

    第一次

    • 客户端连接服务器
      • 客户端使用的ssl版本, 客户端支持的加密算法
    • 服务器
      • 先将自己支持ssl版本和客户端的支持的版本比较
        • 支持的不一样, 连接断开
        • 支持的一样, 继续
      • 根据得到的客户端支持 的加密算法, 找一个服务器端也同样支持算法, 发送给客户端
      • 需要发送服务器的证书给客户端

    第二次:

    客户端:

    • 接收服务器的证书
    • 校验证书的信息
      • 校验证书的签发机构
      • 证书的有效期
      • 证书中支持 的域名和访问的域名是否一致
    • 校验有问题, 浏览器会给提示

3. https -> 单向认证

  1. 服务器要准备的
    • 生成密钥对
    • 将公钥发送给ca, 由ca签发证书
    • 将ca签发的证书和非对称加密的私钥部署到当前的web服务器
  2. 通信流程
    1. 客户端连接服务器, 通过一个域名
      • 域名和IP地址的关系
        • 域名要绑定IP地址
          • 一个域名只能绑定一个IP地址
        • IP地址需要被域名绑定
          • 一个IP地址可以被多个域名绑定
      • 客户端访问的域名会别解析成IP地址, 通过IP地址访问web服务器
    2. 服务器收到了客户端的请求
      • 服务器将CA签发的证书发送给浏览器(客户端)
    3. 客户端拿到了服务器的公钥证书
      • 读这个公钥 证书
        • 验证域名
        • 有效期
        • ca签发机构
        • 服务器的公钥
    4. 客户会生成一个随机数 (作为对称加密的秘钥来使用的)
      • 使用服务器的公钥就这个随机数进行加密
      • 将这个加密之后 秘钥发送给服务器
    5. 服务器对收到的密文解密
      • 使用服务器的是要解密, 得到对称加密的秘钥
    6. 数据的传输
      • 使用对称加密的方式对数据进行加密

4. 自签名证书

  1. 使用openssl生成自签名证书

    1. 创建一个目录如Mytest, 进入该目录, 在该目录下打开命令行窗口

    2. 启动openssl

      openssl    # 执行该命令即可

    3. 使用openssl工具生成一个RSA私钥, 注意：生成私钥，需要提供一个至少4位的密码。

      genrsa -des3 -out server.key 2048
	- des3: 使用3des对私钥进行加密

    4. 生成CSR（证书签名请求）

      req -new -key server.key -out server.csr

    5. 删除私钥中的密码, 第一步给私钥文件设置密码是必须要做的, 如果不想要可以删掉

      rsa -in server.key -out server.key
	-out 参数后的文件名可以随意起

    6. 生成自签名证书

      x509 -req -days 365 -in server.csr -signkey server.key -out server.crt

复习

  1. 消息认证码

    • 是什么?
      • 散列值
    • 能干什么?
      • 保证数据的完整性, 一致性
    • 怎么生成?
      • 准备的条件: Hmac
        • 原始数据
        • 共享秘钥 -> 认证的另一方需要有同样的秘钥
        • 哈希算法
    • 弊端:
      • 秘钥分发困难
        • 使用非对称加密
      • 不能第三方认证
      • 不能防止否认

  2. 数字签名

    • 是什么?

      • 签名
        • 签名的人生成非对称加密的密钥对
        • 签名的人将公钥进行分发
        • 签名的人将原始数据进行哈希运算 -> 散列值
        • 签名的人使用自己的私钥对散列值进行非对称加密 -> 最终得到的数据就是签名
      • 校验:
        • 接收签名人的公钥
        • 接收签名人发送的数据和签名数据
        • 对原始数据进行哈希运算 -> 散列值
        • 使用公钥对签名数据解密
        • 将解密出的数据和散列值进行比较
          • 相等 == 成功
          • 不.. == 失败

    • 干什么?

      • 保证数据的一致性
      • 进行第三方认证
      • 可以防止否认

    • 能解决消息认证的弊端吗?

      • 可以

    • 怎么进行签名

      • RSA

      • 椭圆曲线签名 -> ecdsa

        1. 生成密钥对, 保存到文件中
        2. 对公钥进行分发
        3. 签名的人
          • 将私钥从磁盘读出
          • pem解码
          • x509解码 -> 私钥结构体
          • 对原始数据进行哈希运算 -> 散列值
          • 签名
        4. 验证签名的人
          • 将公钥从磁盘读出
          • pem解码
          • x509解码 -> 公钥
          • 生成原始数据的散列值
          • 签名认证

      数字签名的缺陷?

      • 验证签名的一方没有办法判断得到的公钥到底属于谁

8. 证书

"证书 -- 为公钥加上数字签名"

要开车得先考驾照．驾照上面记有本人的照片、姓名、出生日期等个人信息．以及有效期、准驾车辆的类型等信息，并由公安局在上面盖章。我们只要看到驾照，就可以知道公安局认定此人具有驾驶车辆的资格。

公钥证书（Public-Key Certificate，PKC)其实和驾照很相似，里面记有姓名、组织、邮箱地址等个人信息，以及属于此人的公钥，并由认证机构（Certification Authority、Certifying Authority, CA）施加数字签名。只要看到公钥证书，我们就可以知道认证机构认定该公钥的确属于此人。公钥证书也简称为证书（certificate）。

可能很多人都没听说过认证机构，认证机构就是能够认定 “公钥确实属于此人"，并能够生成数字签名的个人或者组织。认证机构中有国际性组织和政府所设立的组织，也有通过提供认证服务来盈利的一般企业，此外个人也可以成立认证机构。

8.1 证书的应用场景

下面我们来通过证书的代表性应用场景来理解证书的作用。

下图展示了Alice向Bob发送密文的场景，在生成密文时所使用的Bob的公钥是通过认证机构获取的。

认证机构必须是可信的，对于“可信的第三方”，下图中会使用Trent这个名字，这个词是从trust（信任）一词演变而来的。

下面让我们对照着上图来看一看这些步骤具体都做了些什么。

  1. Bob生成密钥对

要使用公钥密码进行通信，首先需要生成密钥对。Bob生成了一对公钥和私钥，并将私钥自行妥善保管。在这里，密钥对是由Bob自己生成的，也可以由认证机构代为生成。

  1. Bob在认证机构Trent注册自己的公钥

    • 在这里Bob则将公钥发送给了认证机构Trent，这是因为Bob需要请认证机构Trent对他的公钥加上数字签名（也就是生成证书）。

    • Trent收到Bob的公钥后，会确认所收到的公钥是否为Bob本人所有（参见专栏：身份确认和认证业务准则）

      专栏：身份确认和认证业务准则

 > 认证机构确认"本人"身份的方法和认证机构的认证业务准则（CertificatePractice Statement, CPS，的内容有关。如果认证机构提供的是测试用的服务，那么可能完全不会进行任何身份确认。如果是政府部门运營的认证机构，可能就需要根据法律规定来进行身份确认。如果是企业面向内部设立的认证机构，那就可能会给部门负责人打电话直接确认。

 > 例如，VeriSign的认证业务准则中将身份确认分为Class1 ~ 3共三个等级

 > - Class1：通过向邮箱发送件来确认本人身份
 > - Class2：通过第三方数据库来确认本人身份
 > - Class3：通过当面认证和身份证明来确认本人身份

 > 等级越高，身份确认越严格。
  1. 认证机构Trent用自己的私钥对Bob的公钥施加数字签名并生成证书

Trent对Bob的公钥加上数字签名。为了生成数字签名，需要Trent自身的私钥，因此Trent需要事先生成好密钥对。

  1. Alice得到带有认证机构Trent的数字签名的Bob的公钥（证书）

现在Alice需要向Bob发送密文，因此她从Trent处获取证书。证书中包含了Bob的公钥。

  1. Alice使用认证机构Trent的公钥验证数字签名，确认Bob的公钥的合法性

Alice使用认证机构Trent的公钥对证书中的数字签名进行验证。如果验证成功，就相当于确认了证书中所包含的公钥的确是属于Bob的。到这里，Alice就得到了合法的Bob的公钥。

  1. Alice用Bob的公钥加密消息并发送给Bob

Alice用Bob的公钥加密要发送的消息，并将消息发送给Bob。

  1. Bob用自己的私钥解密密文得到Alice的消息

Bob收到Alice发送的密文，然后用自己的私钥解密，这样就能够看到Alice的消息了。

上面就是利用认证机构Trent进行公钥密码通信的流程。其中1、2、3这几个步骤仅在注册新公钥时才会进行，并不是每次通信都需要。此外，步骤 4 仅在Alice第一次用公钥密码向Bob发送消息时才需要进行，只要Alice将Bob的公钥保存在电脑中，在以后的通信中就可以直接使用了。

8.2 证书标准规范X.509

证书是由认证机构颁发的，使用者需要对证书进行验证，因此如果证书的格式千奇百怪那就不方便了。于是，人们制定了证书的标准规范，其中使用最广泛的是由ITU（International TelecommumcationUnion，国际电信联盟）和ISO（IntemationalOrganizationforStandardization, 国际标准化组织）制定的X.509规范。很多应用程序都支持x.509并将其作为证书生成和交换的标准规范。

X.509是一种非常通用的证书格式。所有的证书都符合ITU-T X.509国际标准，因此(理论上)为一种应用创建的证书可以用于任何其他符合X.509标准的应用。X.509证书的结构是用ASN1(Abstract Syntax Notation One)进行描述数据结构，并使用ASN.1语法进行编码。

在一份证书中，必须证明公钥及其所有者的姓名是一致的。对X.509证书来说，认证者总是CA或由CA指定的人，一份X.509证书是一些标准字段的集合，这些字段包含有关用户或设备及其相应公钥的信息。X.509标准定义了证书中应该包含哪些信息，并描述了这些信息是如何编码的(即数据格式)

一般来说，一个数字证书内容可能包括基本数据（版本、序列号) 、所签名对象信息（ 签名算法类型、签发者信息、有效期、被签发人、签发的公开密钥）、CA的数字签名，等等。

8.2.1 证书规范

前使用最广泛的标准为ITU和ISO联合制定的X.509的 v3版本规范 (RFC5280）, 其中定义了如下证书信息域：

  • 版本号(Version Number）：规范的版本号，目前为版本3，值为0x2；

  • 序列号（Serial Number）：由CA维护的为它所发的每个证书分配的一的列号，用来追踪和撤销证书。只要拥有签发者信息和序列号，就可以唯一标识一个证书，最大不能过20个字节；

  • 签名算法（Signature Algorithm）：数字签名所采用的算法，如：

    • sha256-with-RSA-Encryption
    • ccdsa-with-SHA2S6；

  • 颁发者（Issuer）：发证书单位的标识信息，如 ” C=CN，ST=Beijing, L=Beijing, O=org.example.com，CN=ca.org。example.com ”；

  • 有效期(Validity): 证书的有效期很，包括起止时间。

  • 主体(Subject) : 证书拥有者的标识信息（Distinguished Name），如：" C=CN，ST=Beijing, L=Beijing, CN=person.org.example.com”；

  • 主体的公钥信息(SubJect Public Key Info）：所保护的公钥相关的信息：

    • 公钥算法 (Public Key Algorithm）公钥采用的算法；
    • 主体公钥（Subject Unique Identifier）：公钥的内容。

  • 颁发者唯一号（Issuer Unique Identifier）：代表颁发者的唯一信息，仅2、3版本支持，可选；

  • 主体唯一号（Subject Unique Identifier）：代表拥有证书实体的唯一信息，仅2，3版本支持，可选：

  • 扩展（Extensions，可选）: 可选的一些扩展。中可能包括：

    • Subject Key Identifier：实体的秘钥标识符，区分实体的多对秘钥；
    • Basic Constraints：一指明是否属于CA;
    • Authority Key Identifier：证书颁发者的公钥标识符；
    • CRL Distribution Points: 撤销文件的颁发地址；
    • Key Usage：证书的用途或功能信息。

此外，证书的颁发者还需要对证书内容利用自己的私钥添加签名， 以防止别人对证书的内容进行篡改。

8.2.2 证书格式

X.509规范中一般推荐使用PEM(Privacy Enhanced Mail）格式来存储证书相关的文件。证书文件的文件名后缀一般为 .crt 或 .cer 。对应私钥文件的文件名后缀一般为 .key。证书请求文件的文件名后綴为 .csr 。有时候也统一用pem作为文件名后缀。

PEM格式采用文本方式进行存储。一般包括首尾标记和内容块，内容块采用Base64进行编码。

编码格式总结:

  • X.509 DER(Distinguished Encoding Rules)编码，后缀为：.der .cer .crt
  • X.509 BASE64编码(PEM格式)，后缀为：.pem .cer .crt

例如，一个PEM格式（base64编码）的示例证书文件内容如下所示：

-----BEGIN CERTIFICATE-----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-----END CERTIFICATE-----

证书中的解析出来的内容：

Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            10:e6:fc:62:b7:41:8a:d5:00:5e:45:b6
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=BE, O=GlobalSign nv-sa, CN=GlobalSign Organization Validation CA-SHA256-G2
        Validity
            Not Before: Nov 21 08:00:00 2016 GMT
            Not After : Nov 22 07:59:59 2017 GMT
        Subject: C=US, ST=California, L=San Francisco, O=Wikimedia Foundation, Inc., CN=*.wikipedia.org
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: id-ecPublicKey
                Public-Key: (256 bit)
                pub: 
                    04:c9:22:69:31:8a:d6:6c:ea:da:c3:7f:2c:ac:a5:
                    af:c0:02:ea:81:cb:65:b9:fd:0c:6d:46:5b:c9:1e:
                    ed:b2:ac:2a:1b:4a:ec:80:7b:e7:1a:51:e0:df:f7:
                    c7:4a:20:7b:91:4b:20:07:21:ce:cf:68:65:8c:c6:
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                keyid:96:DE:61:F1:BD:1C:16:29:53:1C:C0:CC:7D:3B:83:00:40:E6:1A:7C

    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         8b:c3:ed:d1:9d:39:6f:af:40:72:bd:1e:18:5e:30:54:23:35:
         ...

8.2.3 CA证书

证书是用来证明某某东西确实是某某东西的东西（是不是像绕口令？）。通俗地说，证书就好比上文里面的公章。通过公章，可以证明对应的证件的真实性。

理论上，人人都可以找个证书工具，自己做一个证书。那如何防止坏人自己制作证书出来骗人捏？请看后续 CA 的介绍。

CA是Certificate Authority的缩写，也叫“证书授权中心”。

它是负责管理和签发证书的第三方机构, 好比一个可信任的中介公司。一般来说，CA必须是所有行业和所有公众都信任的、认可的。因此它必须具有足够的权威性。就好比A、B两公司都必须信任C公司，才会找 C 公司作为公章的中介。

  • CA证书

    CA 证书，顾名思义，就是CA颁发的证书。

    前面已经说了，人人都可以找工具制作证书。但是你一个小破孩制作出来的证书是没啥用处的。因为你不是权威的CA机关，你自己搞的证书不具有权威性。

    比如，某个坏人自己刻了一个公章，盖到介绍信上。但是别人一看，不是受信任的中介公司的公章，就不予理睬。坏蛋的阴谋就不能得逞啦。

  • 证书信任链

    证书直接是可以有信任关系的, 通过一个证书可以证明另一个证书也是真实可信的. 实际上，证书之间的信任关系，是可以嵌套的。比如，C 信任 A1，A1 信任 A2，A2 信任 A3......这个叫做证书的信任链。只要你信任链上的头一个证书，那后续的证书，都是可以信任滴。

    假设 C 证书信任 A 和 B；然后 A 信任 A1 和 A2；B 信任 B1 和 B2。则它们之间，构成如下的一个树形关系（一个倒立的树）。

    1533293270573

    处于最顶上的树根位置的那个证书，就是“根证书”。除了根证书，其它证书都要依靠上一级的证书，来证明自己。那谁来证明“根证书”可靠捏？实际上，根证书自己证明自己是可靠滴（或者换句话说，根证书是不需要被证明滴）。

    聪明的同学此刻应该意识到了：根证书是整个证书体系安全的根本。所以，如果某个证书体系中，根证书出了问题（不再可信了），那么所有被根证书所信任的其它证书，也就不再可信了。

  • 证书有啥用

    1. 验证网站是否可信（针对HTTPS）

    通常，我们如果访问某些敏感的网页（比如用户登录的页面），其协议都会使用 HTTPS 而不是 HTTP。因为 HTTP 协议是明文的，一旦有坏人在偷窥你的网络通讯，他/她就可以看到网络通讯的内容（比如你的密码、银行帐号、等）；而 HTTPS 是加密的协议，可以保证你的传输过程中，坏蛋无法偷窥。

    但是，千万不要以为，HTTPS 协议有了加密，就可高枕无忧了。俺再举一个例子来说明，光有加密是不够滴。假设有一个坏人，搞了一个假的网银的站点，然后诱骗你上这个站点。假设你又比较单纯，一不留神，就把你的帐号，口令都输入进去了。那这个坏蛋的阴谋就得逞鸟。

    为了防止坏人这么干，HTTPS 协议除了有加密的机制，还有一套证书的机制。通过证书来确保，某个站点确实就是某个站点。

    有了证书之后，当你的浏览器在访问某个 HTTPS 网站时，会验证该站点上的 CA 证书（类似于验证介绍信的公章）。如果浏览器发现该证书没有问题（证书被某个根证书信任、证书上绑定的域名和该网站的域名一致、证书没有过期），那么页面就直接打开；否则的话，浏览器会给出一个警告，告诉你该网站的证书存在某某问题，是否继续访问该站点？下面给出 IE 和 Firefox 的抓图：

    img

    img

    大多数知名的网站，如果用了 HTTPS 协议，其证书都是可信的（也就不会出现上述警告）。所以，今后你如果上某个知名网站，发现浏览器跳出上述警告，你就要小心啦！

    1. 验证某文件是否可信（是否被篡改）

    证书除了可以用来验证某个网站，还可以用来验证某个文件是否被篡改。具体是通过证书来制作文件的数字签名。制作数字签名的过程太专业，咱就不说了。后面专门告诉大家如何验证文件的数字签名。考虑到大多数人用 Windows 系统，俺就拿 Windows 的例子来说事儿。

    比如，俺手头有一个 Google Chrome的安装文件（带有数字签名）。当俺查看该文件的属性，会看到如下的界面。眼神好的同学，会注意到到上面有个“数字签名”的标签页。如果没有出现这个标签页，就说明该文件没有附带数字签名。

    1533294208392

    一般来说，签名列表中，有且仅有一个签名。选中它，点“详细信息”按钮。跳出如下界面：

    通常这个界面会显示一行字：“该数字签名正常”（图中红圈标出）。如果有这行字，就说明该文件从出厂到你手里，中途没有被篡改过（是原装滴、是纯洁滴）。如果该文件被篡改过了（比如，感染了病毒、被注入木马），那么对话框会出现一个警告提示“该数字签名无效”

    1533294414623

    不论签名是否正常，你都可以点“查看证书”按钮。这时候，会跳出证书的对话框。如下：

    1533294685323

    1533294711691

    从后一个界面，可以看到刚才说的证书信任链。图中的信任链有3层：

    • 第1层是根证书（verisign）。
    • 第2层是 symantec 专门用来签名的证书。
    • 第3层是 Google自己的证书。

    目前大多数知名的公司（或组织机构），其发布的可执行文件（比如软件安装包、驱动程序、安全补丁），都带有数字签名。你可以自己去看一下。

    建议大伙儿在安装软件之前，都先看看是否有数字签名？如果有，就按照上述步骤验证一把。一旦数字签名是坏的，那可千万别装。

8.3 公钥基础设施（PKI）

仅制定证书的规范还不足以支持公钥的实际运用，我们还需要很多其他的规范，例如证书应该由谁来颁发，如何颁发，私钥泄露时应该如何作废证书，计算机之间的数据交换应采用怎样的格式等。这一节我们将介绍能够使公钥的运用更加有效的公钥基础设施。

8.3.1 什么是公钥基础设施

公钥基础设施（Public-Key infrastructure）是为了能够更有效地运用公钥而制定的一系列规范和规格的总称。公钥基础设施一般根据其英语缩写而简称为PKI。

PKI只是一个总称，而并非指某一个单独的规范或规格。例如，RSA公司所制定的PKCS（Public-Key Cryptography Standards，公钥密码标准）系列规范也是PKI的一种，而互联网规格RFC（Requestfor Comments）中也有很多与PKI相关的文档。此外，X.509这样的规范也是PKI的一种。在开发PKI程序时所使用的由各个公司编写的API（Application Programming Interface, 应用程序编程接口）和规格设计书也可以算是PKI的相关规格。

因此，根据具体所采用的规格，PKI也会有很多变种，这也是很多人难以整体理解PKI的原因之一。

为了帮助大家整体理解PKI,我们来简单总结一下PKI的基本组成要素（用户、认证机构、仓库）以及认证机构所负责的工作。

8.3.2 PKI的组成要素

PKI的组成要素主要有以下三个：

  • 用户 --- 使用PKI的人
  • 认证机构 --- 颁发证书的人
  • 仓库 --- 保存证书的数据库

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用户

用户就是像Alice、Bob这样使用PKI的人。用户包括两种：一种是希望使用PKI注册自己的公钥的人，另一种是希望使用已注册的公钥的人。我们来具体看一下这两种用户所要进行的操作。

  • 注册公钥的用户所进行的操作

    • 生成密钥对（也可以由认证机构生成）
    • 在认证机构注册公钥
    • 向认证机构申请证书
    • 根据需要申请作废已注册的公钥
    • 解密接收到的密文
    • 对消息进行数字签名

  • 使用已注册公钥的用户所进行的操作

    • 将消息加密后发送给接收者
    • 验证数字签名
    /* 
==================== 小知识点 ==================== 
浏览器如何验证SSL证书
1. 在IE浏览器的菜单中点击“工具 /Internet选项”，选择“内容”标签，点击“证书”按钮，然后就可以看到IE
   浏览器已经信任了许多“中级证书颁发机构”和“受信任的根证书颁发机 构。当我们在访问该网站时，浏览器
   就会自动下载该网站的SSL证书，并对证书的安全性进行检查。
2. 由于证书是分等级的，网站拥有者可能从根证书颁发机构领到证书，也可能从根证书的下一级（如某个国家
   的认证中心，或者是某个省发出的证书）领到证书。假设我们正在访问某个使用 了 SSL技术的网站，IE浏
   览器就会收到了一个SSL证书，如果这个证书是由根证书颁发机构签发的，IE浏览器就会按照下面的步骤来
   检查：浏览器使用内 置的根证书中的公钥来对收到的证书进行认证，如果一致，就表示该安全证书是由可信
   任的颁证机构签发的，这个网站就是安全可靠的；如果该SSL证书不是根服 务器签发的，浏览器就会自动检
   查上一级的发证机构，直到找到相应的根证书颁发机构，如果该根证书颁发机构是可信的，这个网站的SSL证
   书也是可信的。
*/
认证机构（CA）

认证机构（Certification Authority，CA）是对证书进行管理的人。上面的图中我们给它起了一个名字叫作Trent。认证机构具体所进行的操作如下：

  • 生成密钥对 (也可以由用户生成)

    生成密钥对有两种方式：一种是由PKI用户自行生成，一种是由认证机构来生成。在认证机构生成用户密钥对的情况下，认证机构需要将私钥发送给用户，这时就需要使用PKCS#12（Personal Information Exchange Syntax Standard）等规范。

  • 在注册公钥时对本人身份进行认证, 生成并颁发证书

    在用户自行生成密钥对的情况下，用户会请求认证机构来生成证书。申请证书时所使用的规范是由PKCS#10（Certification Request Syntax Standard）定义的。

    认证机构根据其认证业务准则（Certification Practice Statement，CPS）对用户的身份进行认证，并生成证书。在生成证书时，需要使用认证机构的私钥来进行数字签名。生成的证书格式是由PKCS#6 （Extended-Certificate Syntax Standard）和 X.509定义的。

  • 作废证书

    当用户的私钥丢失、被盗时，认证机构需要对证书进行作废（revoke）。此外，即便私钥安然无恙，有时候也需要作废证书，例如用户从公司离职导致其失去私钥的使用权限，或者是名称变更导致和证书中记载的内容不一致等情况。

    纸质证书只要撕毁就可以作废了，但这里的证书是数字信息，即便从仓库中删除也无法作废，因为用户会保存证书的副本，但认证机构又不能人侵用户的电脑将副本删除。

    要作废证书，认证机构需要制作一张证书作废清单（Certificate Revocation List),简称为CRL。

    CRL是认证机构宣布作废的证书一览表，具体来说，是一张已作废的证书序列号的清单，并由认证机构加上数字签名。证书序列号是认证机构在颁发证书时所赋予的编号，在证书中都会记载。

    PKI用户需要从认证机构获取最新的CRL,并查询自己要用于验证签名（或者是用于加密）的公钥证书是否已经作废这个步骤是非常重要的。

    假设我们手上有Bob的证书，该证书有合法的认证机构签名，而且也在有效期内，但仅凭这些还不能说明该证书一定是有效的，还需要查询认证机构最新的CRL，并确认该证书是否有效。一般来说，这个检查不是由用户自身来完成的，而是应该由处理该证书的软件来完成，但有很多软件并没有及时更能CRL。

认证机构的工作中，公钥注册和本人身份认证这一部分可以由注册机构（Registration Authority，RA) 来分担。这样一来，认证机构就可以将精力集中到颁发证书上，从而减轻了认证机构的负担。不过，引入注册机构也有弊端，比如说认证机构需要对注册机构本身进行认证，而且随着组成要素的增加，沟通过程也会变得复杂，容易遭受攻击的点也会增。

仓库

仓库（repository）是一个保存证书的数据库，PKI用户在需要的时候可以从中获取证书．它的作用有点像打电话时用的电话本。在本章开头的例子中，尽管没特别提到，但Alice获取Bob的证书时，就可以使用仓库。仓库也叫作证书目录。

8.3.3 各种各样的PKI

公钥基础设施（PKI）这个名字总会引起一些误解，比如说“面向公众的权威认证机构只有一个"，或者“全世界的公钥最终都是由一个根CA来认证的"，其实这些都是不正确的。认证机构只要对公钥进行数字签名就可以了，因此任何人都可以成为认证机构，实际上世界上已经有无数个认证机构了。

国家、地方政府、医院、图书馆等公共组织和团体可以成立认证机构来实现PKI,公司也可以出于业务需要在内部实现PKI,甚至你和你的朋友也可以以实验为目的来构建PKI。

在公司内部使用的情况下，认证机构的层级可以像上一节中一样和公司的组织层级一一对应，也可以不一一对应。例如，如果公司在东京、大阪、北海道和九州都成立了分公司，也可以采取各个分公司之间相互认证的结构。在认证机构的运营方面，可以购买用于构建PKI的软件产品由自己公司运营，也可以使用VeriSign等外部认证服务。具体要采取怎样的方式，取决于目的和规模，并没有一定之规。

posted @ 2019-12-19 16:11  一颗小苹果  阅读(1335)  评论(3)  编辑  收藏  举报