数字证书原理(HTTPS&SSL)

Posted 2023-02-26 席飞剑

互联网的安全性在很大程度上依赖于对证书颁发机构(CA)的信任，CA颁发数字证书以供Web服务器用于识别自己和加密服务器及用户之间的流量。这些证书可以防止攻击者伪造网站或者窃听发送到和发送自网站的通信。

名词解释

　　首先解释一下上面的几个名词：

• https：在http(超文本传输协议)基础上提出的一种安全的http协议，因此可以称为安全的超文本传输协议。http协议直接放置在TCP协议之上，而https提出在http和TCP中间加上一层加密层。从发送端看，这一层负责把http的内容加密后送到下层的TCP，从接收方看，这一层负责将TCP送来的数据解密还原成http的内容。
• SSL(Secure Socket Layer)：是Netscape公司设计的主要用于WEB的安全传输协议。从名字就可以看出它在https协议栈中负责实现上面提到的加密层。因此，一个https协议栈大致是这样的：

• 数字证书：一种文件的名称，好比一个机构或人的签名，能够证明这个机构或人的真实性。其中包含的信息，用于实现上述功能。
• 加密和认证：加密是指通信双方为了防止铭感信息在信道上被第三方窃听而泄漏，将明文通过加密变成密文，如果第三方无法解密的话，就算他获得密文也无能为力；认证是指通信双方为了确认对方是值得信任的消息发送或接受方，而不是使用假身份的骗子，采取的确认身份的方式。只有同时进行了加密和认真才能保证通信的安全，因此在SSL通信协议中这两者都被应。

　　因此，这三者的关系已经十分清楚了：https依赖一种实现方式，目前通用的是SSL，数字证书是支持这种安全通信的文件。另外有SSL衍生出TLS和WTLS，前者是IEFT将SSL标准化之后产生的（TSL1.0），与SSL差别很小，后者是用于无线环境下的TSL。

如何加密

常用的加密算法

• 对称密码算法：是指加密和解密使用相同的密钥，典型的有DES、RC5、IDEA（分组加密），RC4（序列加密）；
• 非对称密码算法：又称为公钥加密算法，是指加密和解密使用不同的密钥（公开的公钥用于加密，私有的私钥用于解密）。比如A发送，B接收，A想确保消息只有B看到，需要B生成一对公私钥，并拿到B的公钥。于是A用这个公钥加密消息，B收到密文后用自己的与之匹配的私钥解密即可。反过来也可以用私钥加密公钥解密。也就是说对于给定的公钥有且只有与之匹配的私钥可以解密，对于给定的私钥，有且只有与之匹配的公钥可以解密。典型的算法有RSA，DSA，DH；
• 散列算法：散列变换是指把文件内容通过某种公开的算法，变成固定长度的值（散列值），这个过程可以使用密钥也可以不使用。这种散列变换是不可逆的，也就是说不能从散列值变成原文。因此，散列变换通常用于验证原文是否被篡改。典型的算法有：MD5，SHA，Base64，CRC等。

在散列算法（也称摘要算法）中，有两个概念，强无碰撞和弱无碰撞。弱无碰撞是对给定的消息x，就是对你想伪造的明文，进行运算得出相同的摘要信息。也就是说你可以控制明文的内容。强无碰撞是指能找到相同的摘要信息，但伪造的明文是什么并不知道。

1.1 之前已经大概说了一个证书由什么构成，但是没有仔细进行介绍，这里对证书的内容做一个详细的介绍。先看下一个证书到底是个什么东西，在windows下查看一个证书时，界面是这样的，我们主要关注一下Details Tab页，其中的内容比较长，我滚动内容后后抓了三个图，把完整的信息显示出来：

里面的内容比较多——Version、Serial number、Signature algorithm 等等，挑几个重要的解释一下。

◆Issuer (证书的发布机构)

指出是什么机构发布的这个证书，也就是指明这个证书是哪个公司创建的(只是创建证书，不是指证书的使用者)。对于上面的这个证书来说，就是指"SecureTrust CA"这个机构。

◆Valid from , Valid to (证书的有效期)

也就是证书的有效时间，或者说证书的使用期限。 过了有效期限，证书就会作废，不能使用了。

◆Public key (公钥)

这个我们在前面介绍公钥密码体制时介绍过，公钥是用来对消息进行加密的，第2章的例子中经常用到的。这个数字证书的公钥是2048位的，它的值可以在图的中间的那个对话框中看得到，是很长的一串数字。

◆Subject (主题)

这个证书是发布给谁的，或者说证书的所有者，一般是某个人或者某个公司名称、机构的名称、公司网站的网址等。 对于这里的证书来说，证书的所有者是Trustwave这个公司。

◆Signature algorithm (签名所使用的算法)

就是指的这个数字证书的数字签名所使用的加密算法，这样就可以使用证书发布机构的证书里面的公钥，根据这个算法对指纹进行解密。指纹的加密结果就是数字签名(第1.5节中解释过数字签名)。

◆Thumbprint, Thumbprint algorithm (指纹以及指纹算法)

这个是用来保证证书的完整性的，也就是说确保证书没有被修改过，这东西的作用和2.7中说到的第3个问题类似。 其原理就是在发布证书时，发布者根据指纹算法(一个hash算法)计算整个证书的hash值(指纹)并和证书放在一起，使用者在打开证书时，自己也根据指纹算法计算一下证书的hash值(指纹)，如果和刚开始的值对得上，就说明证书没有被修改过，因为证书的内容被修改后，根据证书的内容计算的出的hash值(指纹)是会变化的。 注意，这个指纹会使用"SecureTrust CA"这个证书机构的私钥用签名算法(Signature algorithm)加密后和证书放在一起。

注意，为了保证安全，在证书的发布机构发布证书时，证书的指纹和指纹算法，都会加密后再和证书放到一起发布，以防有人修改指纹后伪造相应的数字证书。这里问题又来了，证书的指纹和指纹算法用什么加密呢？他们是用证书发布机构的私钥进行加密的。可以用证书发布机构的公钥对指纹和指纹算法解密，也就是说证书发布机构除了给别人发布证书外，他自己本身也有自己的证书。证书发布机构的证书是哪里来的呢？？？这个证书发布机构的数字证书(一般由他自己生成)在我们的操作系统刚安装好时(例如windows xp等操作系统)，这些证书发布机构的数字证书就已经被微软(或者其它操作系统的开发机构)安装在操作系统中了，微软等公司会根据一些权威安全机构的评估选取一些信誉很好并且通过一定的安全认证的证书发布机构，把这些证书发布机构的证书默认就安装在操作系统里面了，并且设置为操作系统信任的数字证书。这些证书发布机构自己持有与他自己的数字证书对应的私钥，他会用这个私钥加密所有他发布的证书的指纹作为数字签名。

 

1.2 如何向证书的发布机构去申请证书

举个例子方便大家理解，假设我们公司"ABC Company"向一个证书发布机构"SecureTrust CA"为我们自己的公司"ABC Company"申请了一张证书，注意，这个证书发布机构"SecureTrust CA"是一个大家公认并被一些权威机构接受的证书发布机构，我们的操作系统里面已经安装了"SecureTrust CA"的证书。"SecureTrust CA"在给我们发布证书时，把Issuer,Public key,Subject,Valid from,Valid to等信息以明文的形式写到证书里面，然后用一个指纹算法计算出这些数字证书内容的一个指纹，并把指纹和指纹算法用自己的私钥进行加密，然后和证书的内容一起发布，同时"SecureTrust CA"还会给一个我们公司"ABC Company"的私钥给到我们。我们花钱买的这个证书的内容如下：

???????????????证书内容开始?????????????????

Issuer : SecureTrust CA

Subject : ABC Company

Valid from ： 某个日期

Valid to： 某个日期

Public Key : 一串很长的数字

…… 其它的一些证书内容……

证书的指纹和计算指纹所使用的指纹算法[SecureTrust CA的私钥|RSA]      //这个就是"SecureTrust CA"对这个证书的一个数字签名，表示这个证书确实是他发布的，有什么问题他会负责，出了问题肯定要负责任的。

???????????????证书内容结束?????????????????

// 表示RSA加密后的内容，[ | ]表示用什么密钥和算法进行加密

我们"ABC Company"申请到这个证书后，我们把证书投入使用，我们在通信过程开始时会把证书发给对方，对方如何检查这个证书的确是合法的并且是我们"ABC Company"公司的证书呢？

1、首先应用程序(对方通信用的程序，例如IE、OUTLook等)读取证书中的Issuer(发布机构)为"SecureTrust CA" ，然后会在操作系统中受信任的发布机构的证书中去找"SecureTrust CA"的证书，如果找不到，那说明证书的发布机构是个水货发布机构，证书可能有问题，程序会给出一个错误信息。 

2、如果在系统中找到了"SecureTrust CA"的证书，那么应用程序就会从证书中取出"SecureTrust CA"的公钥，然后对我们"ABC Company"公司的证书里面的指纹和指纹算法用这个公钥进行解密，然后使用这个指纹算法计算"ABC Company"证书的指纹，将这个计算的指纹与放在证书中的指纹对比，如果一致，说明"ABC Company"的证书肯定没有被修改过并且证书是"SecureTrust CA" 发布的，证书中的公钥肯定是"ABC Company"的。

对方然后就可以放心的使用这个公钥和我们"ABC Company"进行通信了。