证书链-Digital Certificates

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李富强Jason
2016.05.06 18:27* 字数 2029

基础知识

在介绍证书链之前,需要首先了解一下非对称加密以及电子证书相关的基础概念。关于这部分,我也一直有些困惑,直到看了阮一峰老师的博客,才对证书有个比较清晰的认知。参考:http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/08/what_is_a_digital_signature.html

看完阮老师的博客,一定对道格冒充鲍勃,然后将自己的公钥发送给苏珊那部分很困惑。后面就对这部分知识展开说一下。

证书 & CA

证书

首先,我们看看在wikipedia上对证书的定义,In cryptography, a public key certificate (also known as a digital certificate or identity certificate) is an electronic document used to prove ownership of a public key.。可以这么说,证书是用来认证公钥持有者的身份的电子文档,防止第三方进行冒充。一个证书中包含了公钥、持有者信息、证明证书内容有效的签名以及证书有效期,还有一些其他额外信息。

CA

我们用证书来认证公钥持有者的身份,那证书是怎么来的呢?又该怎么认证证书呢?这涉及到一个称之为PKI(Public key certificate)的规范体系,包含了数字证书,公钥管理以及验证等技术,详细可以参考:https://en.wikipedia.org/wiki/Public_key_certificate ,我们这里只是简单介绍一下概念。在阮老师的文章中,提到证书要由证书中心(Certificate authority,简称CA)签发的,同样参考Wikipedia上的概念,In cryptography, a certificate authority or certification authority (CA) is an entity that issues digital certificates. (https://en.wikipedia.org/wiki/Certificate_authority) ,简单来说,CA就是签发电子证书的实体。

Signing & Verification

证书的签发(Signing)和认证(Verification)的过程:

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这两个过程也是基于公钥与私钥的,签发和认证的过程跟传输信息过程中的加密解密过程非常类似。签名密文(Signature)是一个重要凭证,Signature与签发人的公钥一同传输,可以避免中间人在获取证书时对证书内容的篡改。参考:http://blog.torchz.net/security/2014/12/23/security-ca-chain-of-trust.html

签发证书的步骤

  1. Signing阶段,首先撰写证书的元信息:签发人(Issuer)、地址、签发时间、过期失效等;当然,这些信息中还包含证书持有者(owner)的基本信息,例如owner的DN(DNS Name,即证书生效的域名),owner的公钥等基本信息。
  2. 通过通用的Hash算法将信息摘要提取出来;
  3. Hash摘要通过Issuer(CA)私钥进行非对称加密,生成一个签名密文;
  4. 将签名密文attach到文件证书上,使之变成一个签名过的证书。

验证证书的步骤

  1. Verification阶段,浏览器获得之前签发的证书;
  2. 将其解压后分别获得“元数据”和“签名密文”;
  3. 将同样的Hash算法应用到“元数据”获取摘要;
  4. 将密文通过Issuer(CA)的公钥(非对称算法,私钥加密,公钥解密)解密获得同样的摘要值。
  5. 比对两个摘要,如果匹配,则说明这个证书是被CA验证过合法证书,里面的公钥等信息是可信的。

在Verification阶段,解密Signature获得摘要需要通过签发者(Issuer)的公钥,又该如何获得这个公钥,同时确保这个公钥是有效的呢?就是下面的证书链的内容

证书链

实例

在Chrome上任意打开一个支持HTTPS的网站,例如 https://www.baidu.com/ ,我们会发现在地址栏的左侧有个绿色的小锁,点击这个小锁,然后就可以查看这个网站的证书信息。打开baidu,查看证书信息如下:

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我们继续探究baidu使用的HTTPS证书,除了HTTPS使用的 baidu.com 证书,向上还有两级证书,证书有3类:

  1. end-user :baidu.com 包含用来加密传输数据的公钥的证书,是HTTPS中使用的证书
  2. intermediates:CA用来认证公钥持有者身份的证书,即确认HTTPS使用的end-user证书是属于baidu.com的证书。这类intermediates证书甚至可以有很多级。
  3. root:用来认证intermediates证书是合法证书的证书。

简单来说,end-user证书上面几级证书都是为了保证end-user证书未被篡改,保证是CA签发的合法证书,进而保证end-user证书中的公钥未被篡改。

证书链

CA组织

除了end-user之外,证书被分为root Certificates和intermediates Certificates。相应地,CA也分了两种类型:root CAs 和 intermediates CAs。首先,CA的组织结构是一个树结构,一个root CAs下面包含多个intermediates CAs,而intermediates又可以包含多个intermediates CAs。root CAs 和 intermediates CAs都可以颁发证书给用户,颁发的证书分别是root Certificates和intermediates Certificates,最终用户用来认证公钥的证书则被称为end-user Certificates。

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end-user certificates & intermediates certificates

我们使用end-user certificates来确保加密传输数据的公钥(public key)不被篡改,而又如何确保end-user certificates的合法性呢?这个认证过程跟公钥的认证过程类似,首先获取颁布end-user certificates的CA的证书,然后验证end-user certificates的signature。一般来说,root CAs不会直接颁布end-user certificates的,而是授权给多个二级CA,而二级CA又可以授权给多个三级CA,这些中间的CA就是intermediates CAs,它们才会颁布end-user certificates。

但是intermediates certificates的可靠性又如何保证呢?这就是涉及到证书链,Certificate Chain ,链式向上验证证书,直到Root Certificates,如下图:

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root certificates

那Root Certificates又是如何来的呢?根据 https://support.dnsimple.com/articles/what-is-ssl-certificate-chain/ 这篇文章的说法,除了可以下载安装之外,device(例如浏览器,操作系统)都会内置一些root certificates,称之为trusted root certificates,https://support.apple.com/en-us/HT202858 ,在Apple的官网上可以看到这个列表,有各个操作版本直接内置的Root Certificates。

最后一个问题,为什么需要证书链这么麻烦的流程?Root CA为什么不直接版本证书,而是要搞那么多中间层级呢?找了一下,godaddy官方给了一个答案,为了确保root certificates的绝对安全性,https://sg.godaddy.com/en/help/what-is-an-intermediate-certificate-868 ,将根证书隔离地越严格越好。

其他

了解了这个证书体系之后,才明白为什么百度/google这种公司也需要向第三方购买签名证书了,自签root证书推广起来非常困难,这也导致目前的证书市场基本上被 Symantec(VeriSign/GeoTrust) / Comodo / GoDaddy 垄断。百度使用的是Versign,google使用的是GeoTrust。目前HTTPS的推广已经不可避免,也已经有一些公益组织开始提供免费、自动化、开放的证书签发服务,例如:Let's Encrypt 。详细使用可以参考奇舞周刊的这篇文章,Let's Encrypt,免费好用的 HTTPS 证书

最后,对于Mac中各种各样的证书,可以通过Keychain Access来管理查看。在Keychain Access对某个证书执行Evaluate,就能得到证书链信息,如下:

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全栈之路
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