数字证书简介

学习笔记

一、数字证书简介

1. 数字证书，digital certificate。一种集合了多种加密方式的安全标准，数字证书通常由【受到人们广泛信赖的组织】向第三方颁发，表明这个第三方也是一个值得信赖的对象。数字证书的使用可以防止中间人攻击，常用于服务器与客户端浏览器的交互，数字证书其实就是一个.crt文件。

2. 数字证书中对各种加密算法的使用：

   • 摘要算法来确保数据没有被篡改。
   • 非对称加密算法对数据进行加解密。
   • 签名算法确保数据的完整性和抗否认性。
   • 对称加密算法负责后续的通信过程。

3. CA：Certificate Authority，数字证书认证机构。

4. 数字证书的颁发采用链式签名验证，通过**根证书（Root CA）**去签名下一级证书，层层签名，直到最终的用户证书。

5. 根证书CA是**【自签名证书】**，存在于用户的操作系统或者浏览器中（默认内嵌），任何经过CA认证的数字证书都可以对其本身进行校验，确保证书本身不是伪造的，数字证书表示CA结构对证书持有者的认可。

6. 证书申请者首先需要自生成公匙与私匙，然后向 CA 机构发送一个证书请求文件 .csr （Certificate Signing Request，证书签名请求），包含：

   • 公匙
   • 申请者信息
   • 域名

   CA 机构确认无误后用自身私匙给证书签名，然后将签名等其他信息塞入证书打包成 X.509 格式并返回数据，至此一份正式的证书生成。

   

   

7. 我们常听到的SSL/TSL、HTTPS是什么呢？

• SSL Secure socket layer，网络安全层。现代 TLS 加密的前身、数字证书的一种，历史原因我们习惯统称 SSL 。
• SSL证书部署在服务器上，由CA机构颁发，可以说它就是【数字证书】，只不过它是一种遵守 SSL 协议的数字证书。
• HTTP + SSL/TSL = HTTPS。
• Http端口：80
• HTTPS端口：443

8. CA证书的种类（3种）

   ​ 安全证书主要分为DV、OV和EV三个种类，对应的安全等级分别为低、中、高。正常情况下，一个合法的数字证书需要经过CA签名，这需要认证域名并支付一定的费用，三者的审核过程、审核标准和对应的域名数量不同，价格在几百元到几万元不等。

   ​ 选择签发机构时，最好选择行业认可的全球范围内都可以使用的 CA 机构签发的证书。目前我们国内的证书能够符合标准的还不是特别多，主要原因是有一些证书不能够被国外的浏览器所认可，在使用的时候需要进行一定的额外操作。

   • DV SSL：只验证网站域名所有权的简易型（Class 1级）SSL证书，可10分钟快速颁发，能起到加密传输的作用，但无法向用户证明网站的真实身份。目前市面上的免费证书都是这个类型的，只是提供了对数据的加密，但是对提供证书的个人和机构的身份不做验证，只要你能向CA机构证明你拥有这个域名的管理权限就可以申请。
   • OV SSL：提供加密功能，对申请者做严格的身份审核验证。和DV SSL的区别在于，OV SSL 提供了对个人或者机构的审核，能确认对方的身份，安全性更高，但是收费。
   • EV SSL：最安全、最严格的 SSL 证书，遵循全球统一的严格身份验证标准，是目前业界安全级别最高的顶级（Class 4级）SSL证书。常用于金融证券、银行、第三方支付、网上商城等领域，重点强调网站安全、企业可信形象的网站，涉及交易支付、客户隐私信息和账号密码的传输。这部分的验证要求最高，申请费用也是最贵的。

9. CA证书的类型（3种）

   • 单域名版：只保护一个域名。
   • 多域名版：可以保护多个域名。
   • 通配符版：保护同一个主域名下同一级的所有子域名，不限个数。通配符版只有 DV 和 OV 具有，EV 不具有通配符版本。

10. 注意：数字证书存储的是公钥以及相关的证书链和算法信息，标准格式存入，标准格式取出。私钥必须严格保密，如果数字证书对应的私钥泄漏，那么该CA证书签发的所有证书将不可信，这会造成严重的安全威胁，数字证书服务商 DigiNotar 就发生过私钥泄漏导致公司破产的事故。

（数字证书包含版本、发行方、过期时间、域名、公钥、证书签名等信息）

11. 【客户端/服务器】数字证书验证过程，以HTTPS协议为例，浏览器和服务器建立安全连接的步骤如下（单向验证）：

    1. 浏览器向服务器发起请求，服务器向浏览器发送自己的数字证书。
    2. 浏览器用操作系统内置的 Root CA 来验证服务器的证书是否有效，如果有效，就使用该证书加密一个随机的AES口令并发送给服务器。
    3. 服务器用自己的私钥解密获得AES口令，并在后续通讯中使用AES加密。

    

    

12. 概念：【数字证书链条】：

        什么是数字证书链条？我们在验证证书的有效性的时候，会逐级去寻找签发者的证书，直至找到根证书，因此数字证书的存在形式为链条。通过下图我们可以看到百度的数字链条为 3 层，顶层为根证书，底层为百度的证书，中间还存在一个【中间证书】。

    

        **那为什么会存在“中间证书”，直接用根证书授权不好吗？**其实中间证书的存在增加了根证书的安全性，有助于在发生安全事件时最小化损害；当安全事件发生时，不需要撤销根证书，只需撤销中间证书，使从该中间证书发出的证书组不受信任，从而达到最小化损害范围、保护根证书的作用，因此各大根证书厂商都不会直接向第三方签名，而是会通过“中间方”去签名。

    （H2由上一级生成，在你提交信息给CA的时候，CA用他的私钥和你信息摘要生成H2）

    

13. 数字证书链条的运转模型（以3层为例）：

    

二、自己动手：自签名证书

1. 自签名证书存在两种：

   • 官方认可的根证书CA。
   • 我们自己定义的证书CA，官方不认可

2. 本节主要讲述我们自己定义的证书CA，包括它的生成、使用等。这种证书可以正常开发调试，但不能对外作为服务使用，因为其他客户端并不认可未经CA签名的证书。

3. 要使用数字证书，首先需要通过【命令行】创建证书，我们在这里以Java JDK的 keyTool 工具为例签发证书：

   keytool 
     -storepass 123456 
     -genkeypair 
     -keyalg RSA 
     -keysize 1024 
     -sigalg SHA1withRSA 
     -validity 3650 
     -alias mycert 
     -keystore my.keystore 
     -dname "CN=www.aaa.com, OU=aaa, O=aaa, L=BJ, ST=BJ, C=CN"
   

   各个参数含义如下

   • storepass：口令为123456。
   • keyalg：指定RSA加密算法。
   • sigalg：指定SHA1withRSA签名算法；
   • validity：指定证书有效期3650天；
   • alias：指定证书在程序中引用的名称；
   • dname：指定证书要授予的域名，必须跟要绑定的域名一致。

   执行完上述命令，JDK 会在当前目录创建一个my.keystore文件，并存储创建成功的一个私钥和一个证书，它的别名是mycert。

   

4. 当然，每次都要记住这些参数很麻烦，因为我们可以利用在线工具自动生成语句，然后拷贝到服务器上运行即可（点击访问【CRS在线生成工具】）

5. 有了key store存储的证书，我们就可以通过数字证书进行加解密和签名：

   • 私钥以PrivateKey实例表示，公钥则以X509Certificate表示
   • 读取证书并不需要口令，只有读取私钥才需要。
   • 如果部署到Web服务器上，例如Nginx，需要把私钥导出为Private Key格式，把证书导出为X509Certificate格式。

   public class test { 
        
       public static void main(String[] args) throws Exception { 
        
           byte[] message = "中文".getBytes("UTF-8");
   
           // TODO 读取KeyStore:
           KeyStore ks = loadKeyStore("/my.keystore", "123456");
   
           // 读取私钥:
           PrivateKey privateKey = (PrivateKey) ks.getKey("mycert", "123456".toCharArray());
           // 读取证书:
           X509Certificate certificate = (X509Certificate) ks.getCertificate("mycert");
   
           // TODO 加密:
           byte[] encrypted = encrypt(certificate, message);
           System.out.println(String.format("encrypted: %x", new BigInteger(1, encrypted)));
   
           // TODO 解密:
           byte[] decrypted = decrypt(privateKey, encrypted);
           System.out.println("decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8"));
   
           // TODO 签名:
           byte[] sign = sign(privateKey, certificate, message);
           System.out.println(String.format("signature: %x", new BigInteger(1, sign)));
   
           // TODO 验证签名:
           boolean verified = verify(certificate, message, sign);
           System.out.println("verify: " + verified);
       }
   
       static KeyStore loadKeyStore(String keyStoreFile, String password) { 
        
           try (InputStream input = test.class.getResourceAsStream(keyStoreFile)) { 
        
               if (input == null) { 
        
                   throw new RuntimeException("file not found in classpath: " + keyStoreFile);
               }
               KeyStore ks = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());
               ks.load(input, password.toCharArray());
               return ks;
           } catch (Exception e) { 
        
               throw new RuntimeException(e);
           }
       }
   
       static byte[] encrypt(X509Certificate certificate, byte[] message) throws GeneralSecurityException { 
        
           Cipher cipher = Cipher.getInstance(certificate.getPublicKey().getAlgorithm());
           cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, certificate.getPublicKey());
           return cipher.doFinal(message);
       }
   
       static byte[] decrypt(PrivateKey privateKey, byte[] data) throws GeneralSecurityException { 
        
           Cipher cipher = Cipher.getInstance(privateKey.getAlgorithm());
           cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
           return cipher.doFinal(data);
       }
   
       static byte[] sign(PrivateKey privateKey, X509Certificate certificate, byte[] message)
               throws GeneralSecurityException { 
        
           Signature signature = Signature.getInstance(certificate.getSigAlgName());
           signature.initSign(privateKey);
           signature.update(message);
           return signature.sign();
       }
   
       static boolean verify(X509Certificate certificate, byte[] message, byte[] sig) throws GeneralSecurityException { 
        
           Signature signature = Signature.getInstance(certificate.getSigAlgName());
           signature.initVerify(certificate);
           signature.update(message);
           return signature.verify(sig);
       }
   }
   

6. 生成了我们自己的证书之后，假如我们也想我们的电脑信任此证书，该如何操作呢？

   **答：**将自签名证书导入自己的操作系统或者浏览器之中即可，比如以前的12306网站就是如此操作。当然这么做存在潜藏风险，因为你一旦信任了该证书，那么你也会自动信任该证书签发的所有网站，当它们想要干点坏事的时候你就会防不胜防，因此最好不用此种方式或用完即删。

三、番外篇：

1、Windows 如何查看自己电脑上的证书？

按住 Windows + R 键调出运行栏，然后输入certmgr.msc回车运行即可。

2、macOS 如何查看自己电脑上的证书？

Mac用户搜索应用 “钥匙串” 即可看到自己电脑上被信任的所有根证书。

附录：参考文章

1. 数字证书、签名到底是什么？

2. 证书，证书链，CA的那些事

今天的文章数字证书简介分享到此就结束了，感谢您的阅读。