基于 PKI 的数字证书身份认证体系

基于 PKI 的数字证书身份认证体系

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/anddddoooo/article/details/145781256

公钥基础设施（PKI）通过使用公钥技术和数字证书来提供系统信息安全服务，并负责验证数字证书持有者身份的一种体系。PKI基于非对称加密算法，其中公钥用于加密和解密数据，而私钥用于解密和签名数据。

对称加密

客户端和服务端使用同一个密钥key对数据进行加密解密，流程如下：

1. 客户端使用密钥 key 加密数据发送给服务端。

2. 服务端接收到加密的数据之后使用同一个密钥 key 解密成明文进行阅读。

非对称加密

服务端生成密钥对（公钥和私钥），并将公钥发给客户端，此时客户端只知道密钥对中的公钥，然后客户端使用此公钥加密一个会话密钥 Session Key 发送给服务端，服务端使用私钥解密数据成明文 Session Key。来实现后续的对称加密，具体流程如下：

1. 客户端向服务端发送通信请求。

2. 服务端向客户端发送密钥对中的公钥。

3. 客户端生成会话密钥 Session Key，并将此 Session Key 进行公钥加密后发送给服务端。

4. 服务端使用私钥解密，拿到 Session Key 之后，向客户端发送成功拿到会话密钥的响应。

5. 客户端和服务端从此使用 Session Key 加密通信。

非对称加密的作用就是协商会话密钥Session Key。

数字签名

数字签名用于验证数据包传输过程中是否被篡改。服务端发送数据包给客户端，同时将数据包中的消息使用 hash 算法运算出散列值，然后将散列值使用私钥加密后放到数据包中，客户端接收的数据包后，使用公钥解密出散列值，然后使用相同的 hash 算法对数据包中的消息进行运算，然后将 hash 运算得到的散列值和公钥解密的散列值做比对，如果一样表明数据包没被篡改。

1. 服务端将即将要发送数据包中的消息进行 hash 运算得到散列值，然后将此散列值进行私钥加密。

2. 客户端接收到此加密数据包后。

• 公钥解密数据包中的加密部分得到散列值。

• hash 运算数据包中的消息得到散列值。

• 将以上得到的两个散列值做比对以验证数据包中的消息是否被篡改。

此种情况，一般用于客户端验证服务端发送的数据是否被篡改，而不能用于服务端验证客户端的数据是否被篡改，因为客户端没有私钥。

中间人攻击

中间人伪装成服务端与客户端建立会话，同时伪装成客户端与服务端建立会话，从而客户端与服务器进行通信过程中，中间人能够监控客户端与服务端之间的通信，流程如下：

1. 客户端向服务端发送通信请求。

2. 中间人截获客户端的请求，并将自身伪造成客户端要访问的目标服务。

3. 中间人将截获的请求发送到服务端，服务端响应后中间人将响应信息发给客户端。

在此情况下，中间人可在此会话中任意篡改客户端发送的数据包，非对称加密和数字签名都不能防止中间人攻击，因为中间人能够伪造密钥对来与客户端通信。

数字证书

也成为“公钥证书”，用于识别公钥所有者的电子文档。在中间人攻击过程中，客户端误把中间人当作正常的服务器，是因为客户端没有校验与中间人建立会话的证书。使用数字证书可以防御中间人攻击。

证书通常包括：

• 可识别信息，例如证书持有者的姓名、证书的序列号及其到期日期。

• 公钥副本。

• 颁发 CA 的数字签名，用于证明真实性。

证书颁发机构 CA

创建和颁发数字证书的可信第三方组织。客户端校验目标服务器发来的证书需要证书颁发机构 CA 的介入。

从广义上讲，CA 有两种类型：

• 根 CA： PKI 层次结构中最值得信赖的 CA 类型。 根 CA 的证书是自签名的，这意味着它是通过自己的数字签名进行身份验证的。 这些 CA 构成了信任的基础，因为它们的证书用于创建、签署和向从属 CA 或直接向终端实体颁发证书。

• 从属 CA： 由根 CA 或链中更高层的从属 CA 认证的组织。 从属 CA 颁发的证书带有根 CA 的签名，因此继承了信任。 链中的每个证书都负责认证下一个证书的真实性，从而从上到下创建持续可靠的信任路径。

从属 CA 继承了根 CA 的信任，因为从属 CA 证书中携带根 CA 对它的数字签名。

证书链

下图为 https 的通信流程，其实就是证书校验+非对称加密。此标题下要讲解下图中浏览器判断证书的具体过程。

直接举个例子来解释浏览器是如何验证证书的：我们访问https://www.bilibili.com网站，此网站会返回的证书链包含两个证书，我们查看此证书的详细内容，如下图：

证书链所含如下：

• .bilibili.com 的证书是用来证明 bilibili 服务器身份的*web 证书。

• GlobalSign RSA OV SSL CA 2018从属 CA 信任证书。

其中，.bilibili.com 的证书是用来证明 bilibili 服务器身份的 web 证书，GlobalSign RSA OV SSL CA 2018这个证书是用来证明.bilibili.com这个证书是有效的，那么 GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 这个证书也需要有其他证书来证明其有效性，这样的证书存在于我们的系统中，当我们的电脑安装完成操作系统的时候，这样的证书已经初始化在了我们的操作系统中，如下图就是初始化的根 CA 证书，他们在证书链的最顶端，GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 这个证书就是下图中存在的某个证书验证其有效性的：

综上所述：

1. GlobalSign Root CA 存在于我们的系统上，它验证了 GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 这个证书的合法性。

2. GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 这个证书验证了 *.bilibili.com 这个证书的合法性。

3. *.bilibili.com 证书用于 web 通信，此证书对应的密钥对就是客户端与服务端进行 https 非对称加密的密钥对。

证书校验

首先 *.bilibili.com 这个证书存在一个签名值，如下图：

生成此签名值所需要的私钥就是 GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 这个证书对应的私钥，校验此签名值需要我们使用 GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 这个证书对应的公钥，这个公钥就存在于GlobalSign RSA OV SSL CA 2018里面，如下图：

由此，使用这个公钥去验证 *.bilibili.com 证书中的签名，来对 *.bilibili.com 证书进行完整性校验，接下来使用相同的方式使用GlobalSign Root CA 证书内的公钥对 GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 证书内的签名进行完整性校验，即可完成签名校验。

注：GlobalSign Root CA 这个证书内的签名值使用的私钥就是 GlobalSign Root CA 证书自己的私钥，具体情况如下：

• *.bilibili.com 证书中的签名所使用的私钥是 GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 证书对应的私钥。

• 因此 *.bilibili.com 证书需要使用 GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 证书的公钥进行完整性校验。

• GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 证书中的签名所使用的私钥是 GlobalSign Root CA 证书对应的私钥。

• 因此 GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 证书需要使用 GlobalSign Root CA 证书的公钥进行完整性校验。

• GlobalSign Root CA 这个证书内的签名值使用的私钥就是 GlobalSign Root CA 这个证书自己的私钥。

• 此 GlobalSign Root CA 证书位于证书链的顶端，它存在于系统之中，不需要其他证书来对其进行校验。

由此存在于我们操作系统上的根信任证书将信任传递到 web 证书，使我们能验证 web 证书的合法性。

总结：

• *.bilibili.com 证书

• 用于进行非对称加密通信的证书（此证书对应的密钥对进行非对称加密会话的建立）。

• 中间 CA：GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 证书

• 此证书用于*.bilibili.com 证书的完整性校验（证书内部的公钥能够进行完整性校验）。

• 根 CA：GlobalSign Root CA 证书

• 此证书用于 GlobalSign RSA OV SSL CA 2018 证书的完整性校验（证书内部的公钥能够进行完整性校验）。

以上是证书的完整性校验，浏览器再通过验证证书链中所有证书的主题CN，就能够判断此证书所属公司，如下图：