CA证书及PKI详解
CA证书及PKI详解
在当今数字化时代，网络安全和数据加密技术变得越来越重要。CA证书和PKI（公钥基础设施）是保障网络安全的重要组成部分。本文将从基本概念出发，详细介绍CA证书的工作原理、PKI体系结构以及信任链和证书链的概念，帮助读者全面了解这一重要的安全技术。
概述
首先我们需要简单对证书有一个基本的概念，以几个问题进入了解
❓ Question1: 什么是证书？
证书是一种电子文档（可以理解为网络世界的身份证），用于在通信双方时验证对方的身份，它包含了证书持有者的信息，公钥以及由可信第三方（称为证书颁发机构，CA）对这些信息的数字签名
❓ Question2: 为什么需要证书？
证书的在网络安全通信中作用极大：
- 身份验证： 证书用于验证通信双方的身份，通过证书可以确认对方是可信的，从而防止身份伪造和中间人攻击
- 数据加密：证书包含的公钥用于加密数据，从而确保数据在传输过长中不被窃听和篡改，只有持有相应私钥的接收方来解密这些数据
- 数字签名：证书用于对数据进行数字签名，以确保数据的完整性和不可否认性。数字签名可以证明数据在传输过程中未被篡改，且签名确实来自签名者
- 安全通信：证书在安全协议（如SSL/TLS）中起着至关重要的作用。这些协议通过使用证书来建立安全的通信通道，保护数据的机密性和完整性
- 信任建立：证书通过公钥基础设施（PKI）来建立信任链。根证书由权威的CA签发，任何经过根证书认证的证书都被认为是可信的，从而形成一个信任体系。
非对称加密
非对称加密在证书中扮演了非常重要的角色，甚至可以说是为了非对称加密这瓶醋才包了证书这盘饺子
公钥：可以向任何人公开，发送方使用接收方的公钥来加密消息
私钥：仅归自己所有，不可被公开，接收方使用自己的私钥来解密发送方加密的消息，只有拥有正确私钥的人才能解密由其公钥加密的数据。
User Case: 数据加密
公钥和私钥在数据加密中使用流程如下，图片十分清晰，我们不再赘述
User Case: 签名验证
辅助上图，描述下整体流程（我们以Server代发送方，Client代接收方）：
- Server生成数据签名流程
- Server对原始数据（文件或消息）使用Hash函数生成一个固定长度的hash值
- Server使用自己的私钥加密hash值
- Server添加证书或TimeStamp与hash值一起生产一个数字签名
- 发布数字签名
- Client验证签名流程
- Client接受到 原始数据 和 附加的数字签名
- Client对 原始数据应用相同的散列函数，生成一个新的hash值 用于与签名中的hash值进行比较
- Client使用Server发布的公钥解密数字签名，获得Server端生成的hash值
- Client对比两个hash值（Client生产的和Server生产的），如果hash值一致则能确定数据未被篡改
潜在问题
公钥私钥已经保证了一定的安全性
发送者使用数字签名来认证自己
client验证身份后，双方在对称加密和hash算法保护的安全信道上发送消息
❓ 但是，Client如何确定sender是可信的呢？
例如：如果Server和Client发送数字签名时，数据被中间人截获，导致最终发送给Client的数据是中间人生成的签名怎么办呢？
解决方案是： 找个三方提前证明下Sender的身份，CA应运而生
CA
CA全称Certificate Authority，是一个受信的第三方机构，负责管理和签发证书，可类比理解为颁发身份证的官方机构
需要证书的S向CA申请签发证书，CA验证证书申请人S的身份并颁发含有S公钥的证书，然后，CA将使用自己的私钥对颁发的证书进行数字签名，以建立对证书的有效性的信任（即获得证书方可以通过CA签名确认签发机构是否合法）
CA证书的组成
一个证书主要由三大部分组成：申请者与颁发者信息，申请者公钥，CA签名
明文：申请者公钥，申请者的组织信息和个人信息，签发机构CA的信息，证书有效时间，证书序列号等信息
密文：CA数字签名
以下是google签发的一个证书样例：
CA签发证书流程
以下以Server代证书申请人
- Server生成自己的一对公钥和私钥，私钥一般由Server独自控制和拥有，但某些情况下，私钥可能会在颁发CA控制的硬件安全模块（HSM）中生成并安全存储
- Server向CA发送包含其公钥和其他识别详细信息的证书签名请求（CSR）
- CA采取措施验证Server的身份和在CSR中申领凭证的权力（如Server的域名是否有效或电子邮件证书的电子邮件地址是否有效）,即确认提交的CSR确实由Server创建
- CA验证成功Server身份，为Server颁发包含CSR详细信息和公钥的证书。同时CA将使用自己的私钥对颁发的证书进行数字签名，并且将新签证书发布到证书库，以便其他用户和系统能够验证其有效性
CA验证签名流程
以下以Client代证书申请验证人
- Client向Server首次建立通信时，Server返回被签发的证书
- Client读取证书中相关明文的信息（明文中含有CA签名的Hash算法），Client采用相同的Hash算法计算明文信息的info digest，然后使用CA的公钥解密签名数据，对比证书的加密的info digest，如果一致，则可以确认证书的合法性
- Client验证证书相关的域名信息，有效时间等信息
- Client会内置安装CA本身的证书信息（由CA自签发），如果CA不被信任，Client找不到对应的CA证书，证书也会判定为非法
CA吊销证书流程
证书超过有效期时，证书就不再有效或不可信，证书持有者或第三方（如系统管理员）就会向CA提交吊销证书请求
CA也会通过自动检测（如发现私钥泄露，证书被滥用等）发起吊销流程
- CA验证吊销请求的真实性和合法性，可能包括身份验证、关联凭证检查等。
- CA在内部数据库中记录证书的吊销信息，包括吊销日期和原因
- CA更新证书吊销列表（CRL），将被吊销的证书信息添加到CRL中
- CA定期发布更新后的CRL，使依赖方（如客户端、服务器）能够获取最新的吊销信息
- CA更新在线证书状态协议（OCSP）响应数据，确保实时查询能够返回最新的吊销状态
- CA通知证书持有者其证书已被吊销，说明吊销原因和后续步骤
CA可能通过公告或直接通知相关依赖方，确保其知晓证书吊销信息。
PKI
PKI 全称Public Key Infrastructure, 是一组构成加密框架的技术和流程，可以理解为PKI为减轻CA的负担搭建的一套以CA为核心的服务框架扩展，从而实现更系统化，标准化和大规模管理数字证书
PKI主要包含以下几部分
- CA：这里的CA专职颁发，存储和签署数字证书
- RA：RA分担了原来CA的功能，专门负责审查证书申请者的身份，判断是否同意CA向申请者签发证书
- VA: Validation Authority, 由于证书具有有效期，VA负责的是证书状态的实时验证，以下简述VA的工作流程
- VA定期从CA下载最新的证书吊销列表（CRL）和获取实时证书状态并存储在本地数据库
- Client发起证书验证请求（OCSP 在线证书状态协议），请求中包含要验证证书的唯一标识，OCSP请求会发送至VA的OCSP服务器
- VA解析请求内容，提取出待验证证书信息，查询本地数据库获取证书状态
- 根据查询结果生成OCSP响应并用自己的私钥对响应签名，确保响应的完整性和可信性
- 客户端拿到响应，根据证书状态确定下一步操作
CA会定期向VA发送更新的证书撤销清单（CRL）
接收方会将接收到的证书发送给VA，由VA进行验证证书是否依旧处于有效期
信任链
由于数字证书的广泛应用，CA机构的需求也随之上升，从而引入了中间证书，通俗的理解为 较大的公司（根CA）验证过一些可信的小公司（子CA），授权这些小公司也可签发证书。
PKI中出现了信任链的概念，信任链是指通过一系列信任关系建立的信任路径，从根证书（Root Certificate）到最终用户证书（End-Entity Certificate），信任链的核心思想是，如果你信任链中的每一个证书，那么你就可以信任链中的所有证书。
信任链所带来的好处：
- 安全性：根证书至关重要，信任链减少了根证书的直接使用，转而由中间证书来签署最终用户证书，可以降低根证书的风险，增强了整个PKI体系的安全性
- 灵活性：引入中间证书后，CA可以更灵活地管理和更新证书。如果某个中间证书出现问题或需要更换，只需替换中间证书而不影响根证书和最终用户证书的信任关系。
- 可扩展性：随着数字证书的应用范围不断扩大，需要不断添加新的证书颁发机构（CA）。信任链的存在使得可以方便地添加新的中间证书，扩展PKI体系而不影响现有的信任结构。
- 透明性：信任链清晰地展示了证书的层级关系和信任路径，使数字证书的验证过程更加透明和可理解。通过查看证书链，可以了解到证书的签发者和信任关系，从而更好地评估证书的可信度
证书链
证书链是信任链的具体实现，Client在验证证书时，如果认为当前证书不可性，可以从最终用户证书开始，逐级上溯到根证书进行验证。
证书链体现的是证书的层级关系，每一级CA的证书都是由上一级CA签发，最顶层的根证书是自签名的（即自己签发），证书链包括了最终用户证书、中间证书和根证书
🐖：根证书预安装在客户端操作系统和浏览器中，通常由大型受信任CA签发，如果根证书被信任，所有由其签发的中间证书和最终用户证书也会被信任。