公钥管理 — 证书和PKI

目录

先回答这些问题：

  • 证书是什么？
  • 证书解决能解决什么问题？
  • 证书和CA机构的关系？

数字证书

数字证书的定义：
公开密钥认证（英语：Public key certificate），又称数字证书（digital certificate）或身份证书（identity certificate），就类似人的身份证。

它用于公开密钥基础建设的电子文件，用来证明公开密钥拥有者的身份。 此文件包含了公钥信息、拥有者身份信息（主体）、以及数字证书认证机构（发行者）对这份文件的数字签名，以保证这个文件的整体内容正确无误。

简而言之，认证机构用自己的私钥对需要认证的人（或组织机构）的公钥施加数字签名并生成证书，即证书的本质就是对公钥施加数字签名。

证书格式

证书有不同格式类似，不同格式记录的信息，记录的格式有所不一样，下面举例X.509格式:
X.509 标准规定了证书可以包含什么信息，并说明了记录信息的方法（数据格式）。除了签名外，所有 X.509 证书都包含以下数据：
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证书具体的样子：
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证书的工作流程

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要了解证书的工作流程，需要先了解一下CA机构的作用，以及一些配套密码算法，HASH、非对称加密、数字签名，因为证书是CA机构生成的，只有CA机构生成的证书，才能验证身份。

PKI的引入

CA机构+证书+用户 这一套整管理流程和认证服务的结合，这就是PKI公钥基础设施（PKI —— Public Key Infrastructure）。

PKI 的核心功能是：解决了谁是谁的鉴权问题，它提供网络上的身份证发行与身份证验证服务。
他发的身份证就是数字证书，他提供的身份验证服务就是签名、验签机制。

PKI 的鉴权是通过建立了一个信任链，去解决在不安全的网络环境中如何确认和验证身份的问题，PKI也是现代网络安全的基础。

PKI是如何实现身份认证的？

  • 怎么防止身份冒充：防止攻击者假冒合法实体？
  • 怎么防止中间人攻击：确保通信双方直接相连，没有恶意中介？
  • 怎么做到不可否认性：证明某个操作确实是由特定实体执行的？

为了解决这些问题，PKI都做了些什么？

需要了解一下构成PKI的一些要素：

  • CA (Certificate Authority，证书授权机构，就类似公安部门，可以查询验证人的身份证)
  • 申请人（被验证身份方）
  • 用户 （对于用户来说，证书和CA都是透明无感的，因为系统自动帮忙用户去做校验了。）

PKI所涉及的技术：

  • 非对称加密
  • Hash
  • 数字签名

CA提供的服务

  • CSR（Certificate Signing Request，证书签名请求）
    是由申请人生成的包含其公钥和身份信息等内容的文件。它被发送给 CA，用于申请数字证书。CA 会根据 CSR 中的信息来创建数字证书，并使用自己的私钥对证书进行签名。

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  • 证书格式
    PKI 中常用的证书格式有 X.509 等，这由 申请人（被验证身份方） 在申请的时候选择一个证书格式。X.509 证书包含了证书版本、序列号、签名算法标识、颁发者名称、有效期、主体名称、主体公钥信息等多个字段，以一种标准化的方式来存储和传输证书信息，确保不同的系统和应用能够正确地解析和验证证书。

  • 预制证书
    通常是指在某些特定场景下，提前生成并颁发好的数字证书。例如，一些设备制造商可能会在设备出厂前就为设备预装证书，以便设备在接入网络时能够快速进行身份认证和安全通信。这些预制证书一般是由设备制造商或相关的 CA 按照一定的规则和流程进行生成和颁发的。
    预制证书就是帮CA做了一半工作的证书，只是还没有加签名而已。

  • 证书创建
    CA 根据申请人提交的 CSR 或 预制证书等信息，按照一定的规则和算法，将申请人的身份信息与公钥进行绑定，并使用自己的私钥对证书进行签名，从而创建出数字证书。（如下图）
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  • 证书发布
    CA 将创建好的证书发送给申请人，或者将证书发布到证书库等公开的存储位置，以便用户或设备能够获取到证书并进行使用。

  • 证书作废（Certificate Revocation List，证书吊销列表）：
    当出现证书不再有效或需要撤销的情况时，如用户身份信息变更、私钥泄露等，CA 会将证书标记为作废状态，并通过发布证书吊销列表（CRL）或在线证书状态协议（OCSP）等方式，让其他实体能够查询到证书的作废信息，从而不再信任该证书。

证书的工作流程（细讲）

对CA提供的服务有了解之后，现在可以来谈谈证书的工作流程了。

在公钥基础设施（PKI）中，Bob（服务提供者）、Alice（用户）和CA（证书颁发机构）的角色及证书工作流程如下：
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  1. 角色定义
  • Bob：需要向外界证明身份的服务提供者（如网站服务器），持有由CA签发的数字证书。
  • Alice：需要验证Bob身份的用户（如客户端）。
  • CA：受信任的第三方机构，负责审核Bob身份并签发数字证书。

  1. 证书工作流程

    步骤1：Bob生成密钥对

    • Bob生成自己的公私钥对（公钥公开，私钥严格保密）。

    步骤2：Bob向CA申请证书

    • Bob将公钥、身份信息（如域名、组织信息）提交给CA，请求证书。

    步骤3：CA验证Bob身份

    • CA通过线下验证（如域名所有权、企业注册信息）确认Bob的身份真实性。

    步骤4：CA签发证书

    • CA将Bob的公钥、身份信息、有效期、颁发者信息等打包，使用CA的私钥生成数字签名，形成证书。
    • 证书格式通常为X.509，包含以下关键信息：
      • Bob的公钥
      • Bob的身份信息
      • 证书有效期
      • CA的名称
      • 数字签名（由CA私钥加密的哈希值）。

    步骤5：Bob使用证书

    • Bob将证书部署到服务器，在与Alice通信时（如建立HTTPS连接）发送该证书。

  1. Alice如何验证证书？
    当Alice收到Bob的证书后，需完成以下验证：

    步骤1. 检查证书基本信息

    • 有效期：确保证书未过期。
    • 域名匹配：证书中的域名是否与Bob的实际域名一致（如访问example.com时证书是否包含该域名）。

    步骤2. 验证证书颁发者（CA）的信任链

    • Alice的设备（如浏览器/操作系统）内置了受信任的根CA证书列表。
    • 检查Bob的证书是否由其中某个CA直接签发，或通过中间CA（Intermediate CA）签发。若存在中间CA，需验证整个证书链的签名有效性。

    步骤3. 验证数字签名

    1. 提取CA的公钥：从CA的证书（或信任链中的上级证书）中获取公钥。
    2. 解密签名：用CA的公钥解密证书中的数字签名，得到原始哈希值（Hash1）。
    3. 重新计算哈希：对证书中Bob的公钥、身份信息等明文内容计算哈希值（Hash2）。
    4. 对比哈希值：若Hash1 = Hash2，则证明证书未被篡改，且确实由CA签发。

    步骤4. 检查证书吊销状态（可选但重要）

    • 通过以下方式确认证书未被CA吊销：
      • CRL（证书吊销列表）：下载CA发布的吊销列表，检查证书是否在其中。
      • OCSP（在线证书状态协议）：实时向CA查询证书状态。
  1. 最终信任建立
  • 若所有验证通过，Alice确认：
    1. 证书中的公钥确实属于Bob。
    2. Bob的身份经过CA严格验证。
    3. 通信内容可通过Bob的公钥加密（或验证其签名），确保安全通信。

Alice无需直接信任Bob，而是通过信任CA间接建立对Bob的信任，这是PKI的核心思想。

证书链

浏览器上访问一个网站，然后查看一下对方站点的证书，会发现有证书链（证书层次结构） 信息，上面的流程也讲到了证书链，那么这个证书链是干嘛的？怎么运作的呢？

（可以使用证书在线解析工具查看：https://myssl.com/cert_decode.html ）
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一般是三阶结构，或多阶结构（如果存在多个中间证书交叉链，会导致SSL证书文件变大，加载速度变慢）。

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证书链：
证书链就是一个信任体系，是一个循环验证的过程，比如我收到你csdn的证书，你说你是GeoTrust机构认证过的，那我接着怀疑GeoTrust机构的证书有没有问题？GeoTrust机构说我是通过 DigCert机构 认证过的，那我接着问 DigCert机构 的证书就没有问题？

DigCert机构已经在系统初始化的时候就预制了一个根证书在系统证书库了，基本上PKI的流程只能信任到这里了。

你在问，系统预制的证书就牛逼了？就安全了？确实没办法保证哈，毕竟已经出现过预制的证书也会有问题的案例，但是基于成本问题，基本到这里就打住了。

如果无限追溯“谁认证了CA的根证书”，会导致逻辑死循环。因此，PKI的设计必须预设一个信任锚点（Trust Anchor），这是整个体系的基础。用现实世界类比：就像我们默认信任政府签发的身份证，而不需要追溯“谁认证了政府”一样。

验证机制：
当你在浏览器中访问一个网站（例如 *.csdn.net）并查看其证书层次结构时，浏览器会通过以下步骤验证证书链的完整性和合法性。以下以你提供的证书链为例，具体说明浏览器的验证过程：

证书层次结构示例

  • 根证书：DigiCert Global Root CA
    • 中间证书：GeoTrust CN RSA CA G1
      • 叶证书（终端实体证书）：*.csdn.net

浏览器的验证流程：

  1. 接收服务器发送的证书链
  • 当访问 *.csdn.net 时，服务器会发送自己的证书（*.csdn.net）以及中间证书（GeoTrust CN RSA CA G1），但不会发送根证书（DigiCert Global Root CA）。
  • 根证书通常预置在浏览器或操作系统的受信任根证书存储中。
  1. 构建证书链
    浏览器需要验证从叶证书到根证书的完整信任链：

  • 根证书（DigiCert Global Root CA）是浏览器本地预置的受信任根证书。

    • 中间证书（GeoTrust CN RSA CA G1）的颁发者是 DigiCert Global Root CA。
      • 叶证书（*.csdn.net）的颁发者是 GeoTrust CN RSA CA G1。

    构建证书链流程图：
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  1. 逐级验证签名
    浏览器会从叶证书开始，逐级向上验证每一级证书的签名：
    3.1. 验证叶证书（*.csdn.net）的签名：

    • 使用中间证书 GeoTrust CN RSA CA G1 的公钥，解密叶证书的数字签名，得到哈希值（Hash1）。
    • 重新计算叶证书明文内容（公钥、域名、有效期等）的哈希值（Hash2）。
    • 如果 Hash1 = Hash2，则叶证书未被篡改，且由 GeoTrust CN RSA CA G1 签发。

    3.2. 验证中间证书（GeoTrust CN RSA CA G1）的签名：

    • 找到根证书 DigiCert Global Root CA（从本地受信任根证书库中提取）。
    • 使用根证书的公钥，解密中间证书的数字签名，得到哈希值（Hash3）。
    • 重新计算中间证书明文内容的哈希值（Hash4）。
    • 如果 Hash3 = Hash4，则中间证书未被篡改，且由 DigiCert Global Root CA 签发。

    验证证书链流程图：
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  1. 验证证书有效性
    每一级证书均需检查以下内容：
    • 有效期： 确保证书未过期（叶证书、中间证书、根证书均需有效）。
    • 用途匹配：
      • 叶证书的用途必须包含 Server Authentication（服务器身份验证）。
      • 中间证书的用途必须包含 Certificate Authority（证书颁发机构）。
    • 域名匹配： 叶证书中的 *.csdn.net 是否覆盖用户访问的域名（如 www.csdn.net）。
  1. 检查根证书的信任状态
  • 根证书 DigiCert Global Root CA 是否在浏览器的受信任根证书列表中？
    • 是：信任链成立。
    • 否：浏览器会提示证书不受信任（例如显示红色警告）。

  1. 检查证书吊销状态（可选但推荐）
    浏览器可能通过以下方式检查证书是否被吊销：
    6.1. OCSP（在线证书状态协议）：

    • 向证书中指定的 OCSP 服务器（由 CA 提供）发送查询请求，确认叶证书和中间证书未被吊销。

    6.2. CRL（证书吊销列表）：

    • 下载 CA 发布的吊销列表，检查证书是否在其中。

关键验证点总结

  1. 信任链完整性：叶证书 → 中间证书 → 根证书必须完整且可追溯。
  2. 签名合法性：每一级证书的签名必须由其上级证书的公钥验证通过。
  3. 有效期和用途：所有证书必须有效且用途匹配。
  4. 根证书预置：根证书必须被浏览器或操作系统信任。

用户可见的结果

  • 如果所有验证通过：
    • 浏览器地址栏显示锁形图标，点击可查看证书详情。
    • 用户与网站建立加密连接（如 HTTPS）。
  • 如果验证失败：
    • 浏览器显示警告（如 此连接不是私密连接），阻止用户继续访问。

技术细节补充

  • 中间证书的必要性：
    • 根证书通常离线保存，不直接签发终端证书。中间证书用于日常签发，降低根证书泄露风险。
  • 证书链传递：
    • 服务器需在 TLS 握手时发送叶证书和中间证书，否则浏览器可能无法构建完整链（导致警告）。
  • 预置根证书的管理：
    • 浏览器和操作系统定期更新受信任的根证书列表（例如通过系统更新）。

通过以上流程，浏览器确保 *.csdn.net 的证书是由可信的 CA（DigiCert）签发的，且证书链未被篡改，拿出公钥进行加密使用，最终建立用户对网站身份的信任。

证书运营机构（CA）

  • DigiCert
  • Global Sign
  • Encrypt
  • Let's Encrypt (免费)

总结

证书就类似是一张实体身份证，这个身份证不光只存身份信息，还存这个实体相关的公钥。并且还对公钥和身份信息做了数字签名。

谁为这个公钥和身份信息做签名？
答：CA，CA就像现实的派出所、它对公钥和信息做了签名，就等于发了身份证(数字证书)，它还负责帮助其他人去校验这个身份证（证书）是不是属于某个实体。

Reference

《图解密码学技术》

数字证书常见格式整理
https://blog.csdn.net/zhulianhai0927/article/details/106452521

posted on 2024-12-09 16:18  Mysticbinary  阅读(286)  评论(0)    收藏  举报