数字证书原理

证书，也叫做数字证书，是网络世界中的“身份证”。证书将持有者的身份信息和公钥关联到一起，保证公钥确实是这个证书持有者的，通过证书就可以确认持有者的身份。证书由权威的、公正的、可信任的第三方机构颁发，我们把证书的颁发机构称为CA（Certificate Authority），相当于现实生活中的公安局。

为什么会有证书这个概念呢？

主要是在非对称加密中，客户端需要获取服务端的公钥信息，但是如果请求被第三方拦截的话，公钥信息就可能被替换，会导致客户端用第三方的公钥进行加密，交互信息存在泄露的风险（谁也不想自己的银行卡密码被泄露）。因此，引入证书，用于鉴别服务端的身份。如果服务端的身份鉴定失败，那么就终止请求。

那么证书的原理是什么呢？

证书颁发给使用者后，使用者就会拿着证书到处证明自己的身份。如果我们收到了一个这样的证书，怎么才能判断这个证书就是合法的，不是伪造的呢？证书中存储的有签名信息，假设交互的双方是A和B。A收到了B发过来的证书，想要验证这个证书的真伪，通过如下步骤：

1. A首先需要获取到为B颁发证书的那个CA的公钥，用这个公钥解密证书中的签名，得到摘要信息1

2. A使用证书中签名算法里面的HASH算法对证书进行HASH计算，得到一个摘要信息2。

3. A将摘要信息1和摘要信息2进行对比，如果两者一致，就说明证书确实是由这个CA颁发的（能用CA的公钥解密说明该CA确实持有私钥），并且没有被篡改过，该证书没有问题。

当然，也会同时检查证书是否在有效期内。

上述过程存在两个问题：

1. CA的公钥如何获取

2. 如何验证CA的证书是否被篡改及身份

对于问题1：B的证书中含有为B颁发证书的CA的信息，A通过该信息请求CA的证书，CA的证书中含有CA的公钥。

对于问题2：验证CA证书是否被篡改及CA的身份和A验证B的证书和身份的原理一样，首先通过摘要信息进行判断，然后找为CA颁发证书的上层CA，通过这种一层一层的方式验证身份。那么，什么时候这个验证过程才会停止呢？直到找到一个可信的CA或者验证出现了错误。操作系统中一般都会安装一些根证书，在进行身份验证的时候，如果在操作系统的根证书中验证了CA的身份，那么验证过程就可以终止了。

PS：12306网站之前是自己给自己颁发证书，众多浏览器都会提醒用户该网站不安全。

A使用CA的证书验证B的证书的过程如下图所示。

如果通信双方要互相验证对方的证书，那就要分别获取到为对方颁发证书的CA的证书。如下图所示，A如果要验证B的证书，则A必须先获取为B颁发证书的CA的证书，用CA的证书验证B的证书；B如果要验证A的证书，则B必须先获取为A颁发证书的CA的证书，用CA的证书验证A的证书。如果A和B是由同一个CA颁发的证书，那么两者获取到的CA的证书是相同的，如果A和B是由两个不同的CA颁发的证书，那么两者获取到的CA的证书是不同的。

证书属性

公钥是通过证书来向外界公开分发的，证书中必然会含有持有者的公钥信息。X.509 v3规范的证书格式中包含的关键信息如下：

l  签名算法：生成该证书的签名时所使用的HASH密码学算法和公钥密码学算法。

2  颁发者：谁颁发了这个证书，即CA的名称（验证者通过该字段去获取CA的证书）

3  主题：该证书时颁发给谁的，即证书持有者的名称。

4  公钥信息：证书持有者的公钥信息。

5  签名：CA对该证书的签名，又叫做CA的指纹信息。

证书颁发

CA颁发证书的过程如下图所示：

首先，CA使用签名算法中的HASH密码学算法（如SHA1）生成证书的摘要信息，然后使用签名算法中的公钥密码学算法（如RSA），配合CA自己的私钥对摘要信息进行加密，最终形成签名。

证书颁发方式

为网络中设备（电脑、网站、防火墙）生成证书有两种方式：

1. 先在设备上生成公私秘钥对，然后将公钥信息及设备信息提供给CA，CA根据这些信息生成证书

2. CA直接为设备生成公私秘钥对，然后为设备生成证书，最后将生成的公私秘钥对及证书导入设备中

常见的证书存储格式如下表所示：

DER	二进制编码，后缀名.der/.cer/.crt 不包含私钥
PEM	BASE 64编码，后缀名.pem/.cer/.crt 不包含私钥
PKCS #12	PKCS编码，后缀名.p12 包含私钥

注意：公私密钥对必须成对出现才能保证公钥密钥学正常运转，所以如果CA同时为设备生成了公私密钥对和证书，就需要将公私密钥对（主要是其中的私钥）和证书同时颁发给设备，颁发时需要根据不同情况选择证书的存储格式。例如，颁发给PC时就要选择PKCS #12格式，将私钥和证书同时颁发；颁发给防火墙时，因为防火墙只支持DER/PEM格式，所以要选择DER/PEM，同时还必须将公私密钥对以单独文件的形式颁发给防火墙。

 

总结一下证书的使用方法：

1、通信双方各自持有自己的证书，当一方需要向另一方证明身份时，就把自己的证书发送过去。双方不用事先保存对方的证书，只在验证时接收对方发送过来的证书即可。

2、一方验证另一方证书的真伪时，必须事先获取到为另一方颁发证书的CA的证书，用这个CA证书来验证对方的证书。

注意：因为不同的CA会颁发不同证书，所以在证书的世界中，每个人可能会持有多个证书。同理，每个人也会获取到多个不同的CA证书。在这种情况下，一方收到另一方发过来的证书时，会根据证书中颁发者的名称，在自己的系统中查找对应的CA证书，找到后就用这个CA证书来验证。如果没有找到，那就说明事先没有获取到CA证书，也就无法判断对方发送过来的证书的真伪。

通过openssl或者cryptopp加密库均可以签名，生成证书。

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参考资料

《华为防火墙技术漫谈》