我和数字签名、数字证书的故事

概要

这篇文章中，涉及到的概念有：单向加密、非对称加密、数字签名，可以参考我的另一篇文章：我和加解密、数字签名的故事。

现在浏览器访问，基本都使用HTTPS，HTTPS中涉及到了数字签名、数字证书的内容，为了更好的理解网络请求，在此对数字签名、数字证书的内容进行总结。

在信息安全中，有5个基本要素：

• 保密性(Confidentiality)：信息不被泄漏，通过加密实现；
• 真实性(Authentication)：对信息的来源进行鉴别；
• 完整性(Integrity)：信息不被篡改；
• 可用性(Availability)：在需要信息的时候，能方便的获取；
• 不可否认性(Non-repudiation)：交换信息的双方不能否认交换信息的行为。

加密保证了保密性，数字签名保证了完整性和不可否认性，数字证书保证了真实性。而可用性是显而易见的，比如想通过银行App查看自己的余额，随时都可以登录查询。

数字签名（Digital Signature）

什么是数字签名？
数字签名有2种情况：一种是动词，一种是名词。

• 动词：表示一个动作，和在合同上签下名字这个动作一样，表示一个动作。
• 名词：表示一个签名，和在合同上签下的名字一样，只是一个签名而已。

在查看资料时，很容易混淆 “数字签名” 到底是动词，还是名词。比如下面这句话：张三对一份文档进行数字签名，得到一个数字签名。
所以在理解数字签名时，区分 “数字签名” 是动词，还是名词很重要。在上面的那句话中，第一个 “数字签名” 是一个动词，表示签名这个动作；第二个 “数字签名” 是一个名词，表示一个签名。

签名

纸质文档签名，只需要用笔在纸质文档上写下自己的名字，就可以了。如果文档是一份电子文档，怎么对这份文档进行数字签名呢？（数字签名的过程中，涉及到加密等概念，可以参考另一篇文章：我和加解密、数字签名的故事）

签名方拥有一对密钥，称为公钥和私钥，公钥对外公开，私钥自己持有。
对电子文档数字签名的过程如上图所示，步骤为：

1. 用单向加密算法（比如MD5），对文档进行加密，得到Digest（摘要）；
2. 用私钥对Digest（摘要）进行加密，得到数字签名；
3. 把文档明文加入新文档；
4. 把数字签名加入新文档；

经过这4步得到的新文档，就是完成数字签名的新文档。

验证

如何对一份已经数字签名的文档进行验证呢？

验证的过程如上图所示，过程为：

1. 用同样的单向加密算法（比如MD5），对文档进行加密，得到Digest（摘要）1；
2. 用公钥对数字签名进行解密，得到Digest（摘要）2；
3. 比较Digest（摘要）1 和 Digest（摘要）2 是否相同，如果相同，则文档未被篡改；否则文档被篡改。

在数字签名和验证的过程中，用到了单向加密、非对称加密。
单向加密（比如MD5）能保证，文档中任一字符改变，得到的Digest都不同。
非对称加密中，私钥加密的数据，只有对应的公钥才能解密。
基于以上2点，对新文档中文档内容、数字签名的改变，都会导致验证失败。

所以，数字签名能保证信息不被篡改，保证信息的完整性；而又因为私钥是不对外公开的，只由一个人或者一个机构持有，所以保证了不可否认性。

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数字证书（Digital Certificate ）

什么是数字证书呢？先看看百度百科的定义：

数字证书是指证书认证机构（Certificate Authority，简称CA）发行的一种电子文档，是一串能够表明网络用户身份信息的数字，提供了一种在计算机网络上验证网络用户身份的方式，因此数字证书又称为数字标识。

简单的说，数字证书就是一份电子文档，什么电子文档呢？就是完成了数字签名能确认身份的电子文档，如下图所示：

那证书中的具体内容是什么呢？获取一个网站的数字证书看看：

在证书的详细信息中，有几个重要信息：

• 颁发者：证书的颁发（创建）机构；
• 使用者：使用证书的机构；
• 有效时间：证书有效时间，比如从‎2019‎年‎5‎月‎9‎日 9:22:02到‎2020‎年‎6‎月‎25‎日 13:31:02有效；
• 公钥：证书公钥，图中的公钥有2048位；
• 签名哈希算法：对证书内容单向加密，得到摘要（也称指纹）的算法。
• 签名算法：对摘要（也称指纹）进行加密，得到数字签名的算法。
• 指纹：对证书内容单向加密的结果。

说明：在图中，指纹信息为“d1f6323db6f2ec81e7023690f49b2d91e0c3993a”。但证书中，并不会直接存储指纹信息，存储的是对指纹信息加密后的数据（这个加密后的数据，就是数字签名）。图中显示为明文，猜想是Window系统证书查看程序，对数字签名进行解密，得到了指纹信息。

数字证书生成

如何生成数字证书呢？
一般是通过向CA申请（一般都要收费）。申请数字证书的步骤如下：

1. 申请方生成一对公钥、私钥密钥对；
2. 把公钥发送给CA；
3. CA对公钥、颁发者、使用者、有效时间等信息单向加密，得到指纹信息；
4. CA使用它的私钥对指纹进行加密，得到数字签名；
5. 把公钥、颁发者、使用者、有效时间等明文信息、数字签名放在一份文件中，这份文件就是数字证书。

数字证书验证

数字证书的作用是什么？用来确认身份，从而保证信息的真实性。比如百度网站的数字证书，是用来确认这就是百度，而不是谷歌。
所以数字证书的验证，就是验证数字证书的真实性。

数字证书的验证，涉及到证书链。
从CA申请的证书，能够确认证书申请者的身份。
那CA的身份，怎么确认呢？怎么能确认CA是合法、权威的认证机构，而不是非法的机构呢？
所以CA也需要一份数字证书，用于认证CA是一个合法的CA。
CA的证书由什么机构颁发呢？由它的上一级CA颁发。
上一级CA怎么确认身份呢？同样也需要一个证书。
上一级CA证书由谁颁发呢？由上一级CA自己颁发。

这里涉及到了2个CA机构、3个数字证书，这3个数字证书就构成了一条证书链。

2个证书机构：

• 中间证书机构（intermediates CAs）；
• 根证书机构（root CAs）。

3个数字证书：

• 终端证书（end-user），服务器使用的证书，由中间证书机构颁发；
• 中间证书（intermediates），由根证书机构颁发；
• 根证书（root），由根证书机构自己颁发。

根证书机构，全球只有为数不多的几家，比如DigiCert、GeoTrust、GlobalSign、VeriSign等，全球的电子设备对这些根证书机构颁发的证书，无条件的信任（这就是证书信任机制的基础）。只要是这些根证书机构颁发的证书，都无条件信任，都认为是可信任的。
所以这些根证书机构颁发给自己的根证书，也是全球可信任的。信任到什么程度呢？所有的电子设备系统中，都会预装这些根证书。比如Window系统，Android手机、IOS手机系统、浏览器中，都会预装这些根证书。
Window系统中，通过证书管理程序管理证书，可以通过在 “运行”中输入certmgr.msc打开，如下图所示：
根证书机构一般不会直接颁发终端证书（end-user），它一般颁发中间证书（intermediates）给中间证书机构，中间证书机构再颁发终端证书（end-user）。

中间证书机构，可以视为根证书机构的代理，可以有很多级。它负责颁发终端证书。
中间证书机构的证书由根证书机构直接颁发，所以系统、浏览器中也会预装一些中间证书。

那怎么验证终端证书（end-user）呢？通过一个具体的证书来看证书是怎么验证的，下图是百度的证书，证书有3级：

百度证书验证步骤如下：

1. 查看baidu.com证书，是否存在系统种，如果存在，则说明是可信任证书；
2. 如果baidu.com证书不存在系统种，则查看上一级证书GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2是否存在系统中；
3. 如果系统中，GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2证书已经存在，则用GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2证书中的公钥去验证baidu.com证书中的数字签名，如果验证通过，则baidu.com证书是可信任的；否则baidu.com证书不可信任。整个验证过程结束。
4. 如果系统中，没有GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2证书呢？则通过baidu.com证书d “授权访问信息”获取上一级证书GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2。
5. 获取到GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2证书后，看上一级证书GlobalSign Root CA是否存在系统中。
6. 如果系统中，GlobalSign Root CA证书已经存在，则用GlobalSign Root CA证书中的公钥去验证GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2证书中的数字签名，如果验证通过，则GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2是可信任的；否则GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2是不可信任的，所以GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2下一级证书baidu.com证书也是不可信任的。整个验证过程结束。
7. 如果GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2验证通过，则进入第3步。

所以，证书链的验证是逐级验证的，用上一级证书的公钥，验证证书的数字签名。
最顶级的证书是无须验证的，如果系统中有，就表明是信任；没有就表明不信任，这时整个证书链都是不可信任的。

三级证书验证如下图所示：
在三级证书中，每一级证书都有公钥(public key)，但证书签名的验证并不是用自身的公钥验证，而是用上一级证书的公钥验证。
比如图中，终端证书(End certificate)签名的验证，需要用中间证书(Intermediates Certificate)的公钥验证，因为终端证书是中间证书的私钥进行签名，所以只能用中间证书的公钥验证；中间证书的验证，需要用根证书(Root certificate)的公钥验证，因为中间证书是根证书的私钥进行签名，所以只能用根证书的公钥进去验证。

这里就产生了2个疑问：

1. 终端证书的公钥有什么用？
2. 根证书怎么验证？

先回答第1个问题：终端证书的公钥，在SSL/TLS的验证过程中使用，用来加密通信双方的对称密钥，详细的过程请查询SSL/TLS验证过程。
第2个问题：根证书无须认证，因为根证书默认保存在系统或者浏览器中，是无条件信任的。所以有时候，为了让系统/浏览器信任我们自己颁发的证书，可以把证书手动导入系统中，导入的方式也很简单，打开证书——安装证书即可，如下图：

证书安装的过程也很简单，就是把证书保存在系统指定的位置，而且这个位置一般无法访问，只能通过一定的方式访问。比如刚刚安装的百度证书，就可以通过“certmgr.exe”查看到，如下图：

以上就是我和数字签名、数字证书的全部故事。

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参考资料

数字证书原理
证书链-Digital Certificates
什么是数字签名和证书？
HTTPS协议、TLS协议、证书认证过程解析