PKI/CA与数字证书

写在前面

现在开始接触CA相关的内容，对一些名词还是不甚了解，在遇到一些问题的时候也不能理解，刚好最近看了一本《PKI/CA与数字证书技术大全》，里面介绍的比较系统全面，也对刚接触这方面的人来说能有个入门。

1. PKI

所有与数字证书相关的各种概念和技术，统称为PKI（ Public Key Infrastructure 公钥基础设施）。

PKI通过引入CA，数字证书，LDAP，CRL，OCSP等技术并制定相应标准，有效地解决了公钥与用户映射关系，集中服务性能瓶颈，脱机状态查询等问题。同时为促进并提高证书应用的规范性，还制定了很多与证书应用相关的各种标准。

所以以下我们提到的CA，数字证书，OCSP等名词都是在PKI下的，即PKI里面包含了这些东西。那么这些名词每个都是为了解决某个问题而产生的，所以当我们了解后看到这些名词的时候，就能反应出它们是什么意思，是要解决什么问题的。

1.1 PKI体系框架

PKI体系框架主要包含三个内容：

1.1.1 数字证书与私钥

关于数字证书

用户或系统只有拥有自己的公钥和私钥后，才能实现数字签名和加密解密功能，由于公钥是随机产生的，因此从公钥无法直接判断属于哪个用户。

为解决公钥与用户映射关系问题，PKI引入了数字证书。数字证书里包含了用户身份信息，用户公钥信息（两者用于确定用户）和CA的私钥数字签名（使用CA的公钥可判断证书是否被篡改）。

私钥一般被保存在硬件密码设备中（像U盾之类的）。

1.1.2 数字证书的管理

关于CA

为了解决数字证书的签发问题，PKI引入了CA（Certificate Authority）， 对数字证书进行集中签发。
它实际是一种特殊的公钥管理中心，对数字证书的全生命周期进行管理，包括：数字证书的签发和更新，数字证书的作废，冻结和解冻，查询或下载，状态查询等。
像广州CA，深圳CA就属于这类，可去他们的官网上进行相关了解。

关于KMC

为解决私钥的备份与恢复问题，PKI引入了KMC（Key Management Center）。
用户公私钥对由KMC产生，KMC对私钥做备份；公私钥也可由用户自己产生，并将私钥安全提交给KMC做备份。

关于双证书

为防止用户身份被冒用，应保证用户私钥的唯一性，不允许备份恢复；为防止公钥加密后的数据无法解密，应提供用户私钥的备份恢复机制。

为解决这两种矛盾需求，PKI引入了双证书机制：签名证书和加密证书。
签名证书的公私钥对由用户自己产生，KMC不备份私钥；加密证书密钥对由KMC产生，且KMC对加密私钥进行备份。

关于LDAP

为解决对CA证书的查询或下载的性能问题，PKI引入 LDAP（Light-weight Directory Access Protocol 轻量目录访问协议）技术。

DAP（Directory Access Protocol 目录访问协议）是对数据管理的读取功能进行特殊优化的技术，适合快速响应和大容量的查询服务，应用系统只需通过X.500协议就能对数据进行快速查询。但由于该协议过于复杂，国际组织对其进行简化，形成了LDAP标准。

关于CRL和OCSP

为解决对CA证书有效性方面的查询，PKI引入了CRL（Certificate Revocation List）和OCSP（Online Certificate Status Protocol） 技术。前者需要用户按时定期下载，可用于脱机使用；后者则可实时在线查询。

关于RA

为对用户提供 面对面 的证书业务服务，负责用户证书办理/作废申请，用户身份审核，制作证书并移交用户等功能。PKI引入了RA（Registry Authority）

关于电子认证服务机构

为保证CA系统在数字证书管理方面的规范性、合规性和安全性，PKI引入了电子认证服务机构，以第三方运营的方式对外提供数字证书相关服务。

1.1.3 数字证书的应用

基于数字证书可实现四种基本安全功能：身份认证，保密性，完整性和抗抵赖性。

身份认证

如网络身份证。

保密性

如不泄露信用卡信息。

完整性

如已签订的合同不会被某一方私自修改。

抗抵赖性

如发生交易纠纷时，可通过验证对方的私钥签名来确认。

1.2 PKI信任模型

首先了解一下几个概念：

1. 信任：在ITU X.509规范中，“信任”定义为“当实体A认为实体B的行为与A所预期的完全一致时，则称实体A信任实体B”。

2. 用户信任CA中心是指，用户相信该CA中心的所有数字证书管理行为均符合政策法规，运营规范和信息安全等要求。

3. 用户信任数字证书是指，用户相信该数字证书持有人的身份是真是有效地，并不等于用户信任该数字证书的持有人。

4. 从信任CA中心到信任其签发的用户数字证书，这种信任传递关系的前提是，该用户数字证书必须通过以下四个方面的合法性验证：
   4.1 验证该数字证书是否伪造。使用CA证书中公钥即可脱机验证。
   4.2 验证该数字证书中信息是否正确。由CA中心在签发数字证书时已保证。
   4.3 验证该数字证书是否与持证人一致。可要求持证人使用私钥对特定数据进行加密或签名，然后使用数字证书中的公钥来解密或验签。
   4.4 验证该数字证书是否在黑名单上。通过CRL或OCSP实现。

5. 信任锚：CA中心是信任的产生来源或信任起点。

6. 认证路径：一条从信任锚到数字证书之间构建的信任关系传递路径，也叫证书路径或信任链。

1.2.1 根CA信任模型

最上级CA中心只有一个，成为根CA，其它CA称为子CA。根CA的数字证书由自己签发，属于自签名证书，子CA的数字证书由上级CA证书签发。信任锚可以是根CA，也可以是子CA。

以下图为例：用户X可信任用户A证书，信任链为根CA——子CA1——用户A证书。

1.2.2 交叉认证信任模型

根CA之间可以互相签发交叉认证证书。

以下图为例，用户Y就可以信任用户J证书。信任链为根CA2——根CA2（1）——根CA1——子CA12——用户J证书

1.2.3 桥CA信任模型

在这里引入独立的桥CA中心，等同于虚拟的根CA。所有根CA与桥CA之间互相签发交叉认证证书。与交叉认证信任模型类似。

1.2.4 信任列表信任模型

使用户可以有多个信任锚。