数字签名和数字证书

数字签名

数字签名是一种用于信息真实性和完整性校验的手段，一套数字签名包含签名和验证两种运算。下面是一套简单的数字签名示意图。

数字签名

原理

数字签名使用非对称加密技术。每个人都有一对钥匙，私钥只有本人知道，公钥公开，私钥签名，公钥验签。

在进行信息传递时，信息发送者用私钥生成签名并将公钥一起发送给信息接收者，接收者使用公钥验签。上述过程中信息完整性得到校验，但发送者的身份是否合法无法得知（因为任何人都可以声称自己是合法的），因此引入了身份认证机构。

身份认证机构是信息接收者能信任的机构，所有的公钥必须向该机构进行注册。注册后身份认证机构给发送者颁发一数字证书。对文件签名后，发送者把此数字证书连同文件及签名一起发给信息接收者，接收者向身份认证机构求证是否真地是用发送者密钥签发的文件。

数字证书

数字证书是一种电子档案，用来证明公钥拥有者的身份。此档案包含了公钥信息、拥有者身份信息（主体）、以及数字证书认证机构（发行者）对该文件的数字签名。

证书的本质就是对公钥加数字签名，认证机构用自己的私钥对需要认证的人（或组织机构）的公钥进行数字签名并生成证书。

证书种类

我们需要了解以下几种类型的证书

• 自签证书
• 根证书
• 中介证书
• TLS 服务器证书
• TLS 客户端证书

自签证书

用户可以自己生成数字证书，不过没有任何可信赖的人签名，它主要用于小范围测试，这种自签名证书通常不会被广泛信任，使用时可能会遇到电脑软件的安全警告。

根证书

根证书获得广泛认可，通常已预先安装在各种软体（包括操作系统、浏览器、电邮软件等），作为信任链的起点，来自于公认可靠的政府机关、证书颁发机构公司、非营利组织等，与各大软件商透过严谨的核认程序才在不同的软件广泛部署。由于部署程序复杂费时，需要行政人员的授权及机构法人身份的核认，一张根证书有效期可能长达二十年以上。在某些企业，也可能会在内部电脑自行安装企业自签的根证书，以支援内部网的企业级软件；但是这些证书可能未被广泛认可，只在企业内部适用。

中介证书

认证机构的一个重要任务就是为客户签发证书，虽然广泛认可的认证机构都已拥有根证书，相对应的私钥可用以签署其他证书，但因为密钥管理和行政考虑，一般会先行签发中介证书，才为客户作数位签署。中介证书的有效期会较根证书为短，并可能对不同类别的客户有不同的中介证书作分工。

TLS服务器证书

网站在互联网上提供服务时，域名就是服务器证书上主体，相关机构名称则写在组织或单位一栏上。证书和私钥会安装在服务器。客户端的软件（如浏览器）会执行认证路径验证算（Certification path validation algorithm）以确保安全，如果未能肯定加密通道是否安全（例如证书上的主体名称不对应网站域名、伺服器使用了自签证书、或加密算法不够强），可能会警告用户。

TLS客户端证书

客户端证书包含电子邮件地址或个人姓名，而不是主机名。客户端证书比较不常见，因为考虑到技术门槛及成本因素，通常都是由服务提供者验证客户身份，而不是依赖第三方认证机构。通常，需要使用到客户端证书的服务都是内部网的企业级软件，他们会设立自己的内部根证书，由企业的技术人员在企业内部的电脑安装相关客户端证书以便使用。在公开的互联网，大多数网站都是使用登入密码和Cookie来验证用户，而不是客户端证书。

根证书（自签证书）、中介证书和终端实体（TLS服务器/客户端）证书的形成如下信任链

信任链

证书格式

证书一般遵从X.509格式规范

• 版本：现行通用版本是V3

• 序号：用以辨识每一张凭证，特别在撤消凭证的时候有用

• 主体：拥有此凭证的法人或自然人身份或机器，包括：

  • 国家（C，Country）
  • 州/省（S，State）
  • 地域/城市（L，Location）
  • 组织/单位（O，Organization）
  • 通用名称（CN，Common Name）：在TLS应用上，此栏位一般是域名

• 发行者：以数字签名形式签署此凭证的数字证书认证机构

• 有效期开始时间：此凭证的有效开始时间，在此前该凭证并未生效

• 有效期结束时间：此凭证的有效结束时间，在此后该凭证作废

• 公钥用途：指定凭证上公钥的用途，例如数字签名、服务器验证、客户端验证等

• 公钥

• 公开密钥指纹

• 数字签名

• 主体别名

证书可以二进制或 Base64 形式储存，常见的文件扩展名有.cer、.crt、.der和.pem。如果把证书和私钥一起储存，则可以使用PKCS#12（.p12）格式。

• DER用于二进制DER编码的证书。
• PEM用于不同类型的X.509v3文件，是以“ - BEGIN ...”前缀的ASCII（Base64）数据。
• CER和CRT几乎同义，证书可以被编码为二进制DER或ASCII PEM。
• PKCS7 文件，也被称为P7B，通常用于Java Keystores 和 Microsoft IIS（Windows）。它们是ASCII 文件，可以包含证书和CA 证书。
• PKCS12 文件，也被称为PFX 文件，通常用于在Micrsoft IIS（Windows）中导入和导出证书链。

应用

我们在写对外 API 时，针对信息传递的安全考虑，做如下设计

• 敏感信息脱敏，进行信息加密
• 防止信息被篡改，进行数字签名

我们使用 SHA256withRSA 进行签名，下面是一个Java简单例子

    public static String sign(byte[] privateKey, String content) {
        try {
            java.security.Signature signature = java.security.Signature
              .getInstance("SHA256withRSA");

            PrivateKey priKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));

            signature.initSign(priKey);
            signature.update(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

            byte[] signed = signature.sign();
            return URLEncoder.encode(Base64.getEncoder().encodeToString(signed), "UTF-8");
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static boolean verify(byte[] publicKey, String content, String signatureToBeVerified) {

        if (StringUtils.isBlank(signatureToBeVerified)) {
            return false;
        }

        try {
            java.security.Signature signature = java.security.Signature.getInstance("SHA256withRSA");

            PublicKey pubKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));

            signature.initVerify(pubKey);
            signature.update(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

            return signature.verify(Base64.getDecoder().decode(URLDecoder.decode(signatureToBeVerified, "UTF-8").getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }