CA认证的原理和流程以及https完整通信过程

故事引入——什么是CA证书

看过一些博客,写的比较形象具体。

◇ 普通的介绍信

想必大伙儿都听说过介绍信的例子吧?假设 A 公司的张三先生要到 B 公司去拜访,但是 B 公司的所有人都不认识他,他咋办捏?常用的办法是带公司开的一张介绍信,在信中说:兹有张三先生前往贵公司办理业务,请给予接洽…云云。然后在信上敲上A公司的公章。

张三先生到了 B 公司后,把介绍信递给 B 公司的前台李四小姐。李小姐一看介绍信上有 A 公司的公章,而且 A 公司是经常和 B 公司有业务往来的,这位李小姐就相信张先生不是歹人了。

这里,A公司就是CA证书。

◇ 引入中介机构的介绍信

好,回到刚才的话题。如果和 B 公司有业务往来的公司很多,每个公司的公章都不同,那前台就要懂得分辨各种公章,非常滴麻烦。所以,有某个中介公司 C,发现了这个商机。C公司专门开设了一项“代理公章”的业务。
今后,A 公司的业务员去 B 公司,需要带2个介绍信:

介绍信1:含有 C 公司的公章及 A 公司的公章。并且特地注明:C 公司信任 A 公司。

介绍信2:仅含有 A 公司的公章,然后写上:兹有张三先生前往贵公司办理业务,请给予接洽…云云。

某些不开窍的同学会问了,这样不是增加麻烦了吗?有啥好处捏?

主要的好处在于,对于接待公司的前台,就不需要记住各个公司的公章分别是啥样子的;他/她只要记住中介公司 C 的公章即可。当他/她拿到两份介绍信之后,先对介绍信1的 C 公章,验明正身;确认无误之后,再比对介绍信1和介绍信2的两个 A 公章是否一致。如果是一样的,那就可以证明介绍信2是可以信任的了。

◇ 什么是证书?

“证书”洋文也叫“digital certificate”或“public key certificate”(专业的解释看“这里”)。

它是用来证明某某东西确实是某某东西的东西(是不是像绕口令?)。通俗地说,证书就好比例子里面的公章。通过公章,可以证明该介绍信确实是对应的公司发出的。

理论上,人人都可以找个证书工具,自己做一个证书。那如何防止坏人自己制作证书出来骗人捏?请看后续 CA 的介绍。

◇ 什么是CA?

CA是Certificate Authority的缩写,也叫“证书授权中心”。(专业的解释看“这里”)

它是负责管理和签发证书的第三方机构,就好比例子里面的中介——C 公司。一般来说,CA必须是所有行业和所有公众都信任的、认可的。因此它必须具有足够的权威性。就好比A、B两公司都必须信任C公司,才会找 C 公司作为公章的中介。

◇ 什么是CA证书?

CA 证书,顾名思义,就是CA颁发的证书。

前面已经说了,人人都可以找工具制作证书。但是你一个小破孩制作出来的证书是没啥用处的。因为你不是权威的CA机关,你自己搞的证书不具有权威性。

这就好比上述的例子里,某个坏人自己刻了一个公章,盖到介绍信上。但是别人一看,不是受信任的中介公司的公章,就不予理睬。坏蛋的阴谋就不能得逞啦。

文本后续提及的证书,若无特殊说明,均指 CA 证书。

概念解释

CA

  • CA(Certificate Authority)被称为证书授权中心,是数字证书发放和管理的机构。
  • 根证书是CA认证中心给自己颁发的证书,是信任链的起始点。安装根证书意味着对这个CA认证中心的信任。
  • 数字证书颁发过程一般为:
    1、用户首先产生自己的密钥对。
    2、将公共密钥(公钥)及部分个人身份信息传送给认证中心。
    3、认证中心在核实身份后,将执行一些必要的步骤,以确信请求确实由用户发送而来,然后,认证中心将发给用户一个数字证书,该证书内包含用户的个人信息和他的公钥信息,同时还附有认证中心的签名信息

有4个概念一定要清楚:

1.1 CA根证书,CA证书

CA证书有两个作用:

  • 签发数字证书(用户找CA签发)
  • 校验数字证书(客户找CA校验收到的证书是否合法有效)

在SSL通信握手过程中,需要将公钥数字证书交给对方,对方如何对数字证书进行校验?就是要在找到签发此证书的CA证书及证书链,一直找到CA根证书。

1.2 数字证书

使用CA证书的私钥给用户生成的公钥签名,生成公钥数字签名证书。证书是为了防伪、防冒充的。

我们通常说的数字证书都是公钥数字证书:包含公钥、签发证书的CA证书信息、CA数字签名等数据。

要验证数字证书的真伪,就需要找到签发这个证书的CA证书,要验证CA证书的真伪则需要找到签发CA证书的CA证书,就这样一直找到根证书。

1.3 非对称密钥系统

非对称加密:在非对称加密系统中,公钥加密的数据只有私钥才能解密,私钥加密的数据只有公钥才能解密。

加密:公钥加密,私钥解密

签名:私钥加密、公钥解密

1.4 ssh免密登录

在ssh免密登录中,需要将公钥放到远程服务器中,本地保存私钥,即可实现免密登录。

证书的签发过程

  1. 服务方 S 向第三方机构CA提交公钥、组织信息、个人信息(域名)等信息并申请认证;
  2. CA 通过线上、线下等多种手段验证申请者提供信息的真实性,如组织是否存在、企业是否合法,是否拥有域名的所有权等;
  3. 如信息审核通过,CA 会向申请者签发认证文件-证书。证书包含以下信息:申请者公钥、申请者的组织信息和个人信息、签发机构 CA的信息、有效时间、证书序列号等信息的明文,同时包含一个签名;签名的产生算法:首先,使用散列函数计算公开的明文信息的信息摘要,然后,采用CA 的私钥对信息摘要进行加密,密文即签名;
  4. 客户端 C 向服务器 S 发出请求时,S 返回证书文件;
  5. 客户端 C 读取证书中的相关的明文信息,采用相同的散列函数计算得到信息摘要,然后,利用对应 CA的公钥解密签名数据,对比证书的信息摘要,如果一致,则可以确认证书的合法性,即公钥合法;
  6. 客户端然后验证证书相关的域名信息、有效时间等信息;
  7. 客户端会内置信任 CA 的证书信息(包含公钥),如果CA不被信任,则找不到对应 CA 的证书,证书也会被判定非法。

在这个过程注意几点:

  1. 申请证书不需要提供私钥,确保私钥永远只能服务器掌握;
  2. 证书的合法性仍然依赖于非对称加密算法,证书主要是增加了服务器信息以及签名;
  3. 内置 CA 对应的证书称为根证书,颁发者和使用者相同,自己为自己签名,即自签名证书;
  4. 证书=公钥+申请者与颁发者信息+签名;

https认证流程

  1. 服务器生成一对密钥,私钥自己留着,公钥交给数字证书认证机构(CA)
  2. CA进行审核,并用CA自己的私钥对服务器提供的公钥进行签名生成数字证书
  3. 将生成的数字证书部署到web服务器
  4. client在https建立连接时,需要先从服务器获取数字证书,在本机找到数字证书的签发机构的CA的公钥(根证书)对数字证书进行验证,比对一致,说明该数字证书确实是CA颁发的(得此结论有一个前提就是:客户端的CA公钥确实是CA的公钥,即该CA的公钥与CA对服务器提供的公钥进行签名的私钥确实是一对。),而CA又作为权威机构保证该公钥的确是服务器端提供的,从而可以确认该证书中的公钥确实是合法服务器端提供的。

注:为保证第4步中提到的前提条件,CA的公钥必须要安全地转交给客户端**(CA根证书必须先安装在客户端)**,因此,CA的公钥一般来说由浏览器开发商内置在浏览器或操作系统的内部。于是,该前提条件在各种信任机制上,基本保证成立。

http通信存在的问题

1、容易被监听
http通信都是明文,数据在客户端与服务器通信过程中,任何一点都可能被劫持。比如,发送了银行卡号和密码,hacker劫取到数据,就能看到卡号和密码,这是很危险的
2、被伪装
http通信时,无法保证通行双方是合法的,通信方可能是伪装的。比如你请求www.taobao.com,你怎么知道返回的数据就是来自淘宝,中间人可能返回数据伪装成淘宝。
3、被篡改
hacker中间篡改数据后,接收方并不知道数据已经被更改

共享密钥加密和公开密钥加密

后续内容的需要,这里插播一段共享密钥加密和公开密钥加密

共享密钥加密
共享密钥的加密密钥和解密密钥是相同的,所以又称为对称密钥

公开密钥加密
加密算法是公开的,密钥是保密的。公开密钥分为私有密钥和公有密钥,公有密钥是公开的,任何人(客户端)都可以获取,客户端使用公有密钥加密数据,服务端用私有密钥解密数据。

异同
共享密钥加密与公开密钥加密相比,加解密处理速度快,但公开密钥更适应互联网下使用

https解决的问题

https很好的解决了http的三个缺点(被监听、被篡改、被伪装),https不是一种新的协议,它是http+SSL(TLS)的结合体,SSL是一种独立协议,所以其它协议比如smtp等也可以跟ssl结合。https改变了通信方式,它由以前的http—–>tcp,改为http——>SSL—–>tcp;https采用了共享密钥加密+公开密钥加密的方式

1、防监听
数据是加密的,所以监听得到的数据是密文,hacker看不懂。
2、防伪装
伪装分为客户端伪装和服务器伪装,通信双方携带证书,证书相当于身份证,有证书就认为合法,没有证书就认为非法,证书由第三方颁布,很难伪造
3、防篡改
https对数据做了摘要,篡改数据会被感知到。hacker即使从中改了数据也白搭。

https完整通信过程

HTTPS在传输的过程中会涉及到三个密钥:

  • 服务器端的公钥和私钥,用来进行非对称加密
  • 客户端生成的随机密钥,用来进行对称加密

一个HTTPS请求实际上包含了两次HTTP传输,可以细分为8步。
1.客户端向服务器发起HTTPS请求,连接到服务器的443端口

2.服务器端有一个密钥对,即公钥和私钥,是用来进行非对称加密使用的,服务器端保存着私钥,不能将其泄露,公钥可以发送给任何人。

3.服务器将自己的公钥发送给客户端。

4.客户端收到服务器端的证书之后,会对证书进行检查,验证其合法性,如果发现发现证书有问题,那么HTTPS传输就无法继续。严格的说,这里应该是验证服务器发送的数字证书的合法性。如果公钥合格,那么客户端会生成一个随机值,这个随机值就是用于进行对称加密的密钥,我们将该密钥称之为client key,即客户端密钥,这样在概念上和服务器端的密钥容易进行区分。然后用服务器的公钥对客户端密钥进行非对称加密,这样客户端密钥就变成密文了,至此,HTTPS中的第一次HTTP请求结束。

5.客户端会发起HTTPS中的第二个HTTP请求,将加密之后的客户端密钥发送给服务器。

6.服务器接收到客户端发来的密文之后,会用自己的私钥对其进行非对称解密,解密之后的明文就是客户端密钥,然后用客户端密钥对数据进行对称加密,这样数据就变成了密文。

7.然后服务器将加密后的密文发送给客户端。

8.客户端收到服务器发送来的密文,用客户端密钥对其进行对称解密,得到服务器发送的数据。这样HTTPS中的第二个HTTP请求结束,整个HTTPS传输完成。

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