公钥私钥加密解密数字证书数字签名详解

Love The Way You Lie 2022-07-13 05:38 340阅读 0赞

参考文献：

# [聊聊HTTPS和SSL/TLS协议][HTTPS_SSL_TLS] #

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首先明确几个基本概念：

1、**密钥对**，**在非对称加密技术中**，有两种密钥，分为私钥和公钥，私钥是密钥对所有者持有，不可公布，公钥是密钥对持有者公布给他人的。

2、**公钥**，公钥用来给数据加密，用公钥加密的数据只能使用私钥解密。

3、**私钥**，如上，用来解密公钥加密的数据。

4、**摘要**，对需要传输的文本，做一个HASH计算，一般采用SHA1，SHA2来获得。

5、**签名**，使用私钥对需要传输的文本的摘要进行加密，得到的密文即被称为该次传输过程的签名。

6、**签名验证**，数据接收端，拿到传输文本，但是需要确认该文本是否就是发送发出的内容，中途是否曾经被篡改。因此拿自己持有的公钥对签名进行解密（密钥对中的一种密钥加密的数据必定能使用另一种密钥解密。），得到了文本的摘要，然后使用与发送方同样的HASH算法计算摘要值，再与解密得到的摘要做对比，发现二者完全一致，则说明文本没有被篡改过。

上面实际上介绍了加密解密和数字签名两个概念和实现过程，二者的过程正好是相反的。

在签名的过程中，有一点很关键，收到数据的一方，需要自己保管好公钥，但是要知道每一个发送方都有一个公钥，那么接收数据的人需要保存非常多的公钥，这根本就管理不过来。并且本地保存的公钥有可能被篡改替换，无从发现。怎么解决这一问题了？由一个统一的证书管理机构来管理所有需要发送数据方的公钥，对公钥进行认证和加密。这个机构也就是我们常说的**CA**。认证加密后的公钥，即是证书，又称为CA证书，证书中包含了很多信息，最重要的是申请者的公钥。

CA机构在给公钥加密时，用的是一个统一的密钥对，在加密公钥时，用的是其中的私钥。这样，申请者拿到证书后，在发送数据时，用自己的私钥生成签名，将签名、证书和发送内容一起发给对方，对方拿到了证书后，需要对证书解密以获取到证书中的公钥，解密需要用到CA机构的”统一密钥对“中的公钥，这个公钥也就是我们常说的CA根证书，通常需要我们到证书颁发机构去下载并安装到相应的收取数据的客户端，如浏览器上面。这个公钥只需要安装一次。有了这个公钥之后，就可以解密证书，拿到发送方的公钥，然后解密发送方发过来的签名，获取摘要，重新计算摘要，作对比，以验证数据内容的完整性。

这里纯粹的文字，未免枯燥，可以结合前面提到的文章链接中的图片一起理解，这些文字对图片的理解应该有一些帮助。HTTPS是综合用了加密解密和数字签名的实例，理解了上述概念和过程，结合密钥对交换的过程就不难理解HTTPS。\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#

# HTTPS、SSL与数字证书介绍 #

在互联网安全通信方式上，目前用的最多的就是https配合ssl和数字证书来保证传输和认证安全了。本文追本溯源围绕这个模式谈一谈。

名词解释

HTTPS：在HTTP（超文本传输协议）基础上提出的一种安全的HTTP协议，因此可以称为安全的超文本传输协议。HTTP协议直接放置在TCP协议之上，而HTTPS提出在HTTP和TCP中间加上一层加密层。从发送端看，这一层负责把HTTP的内容加密后送到下层的TCP，从接收方看，这一层负责将TCP送来的数据解密还原成HTTP的内容。

SSL(Secure Socket Layer)：是Netscape公司设计的主要用于WEB的安全传输协议。从名字就可以看出它在HTTPS协议栈中负责实现上面提到的加密层。因此，一个HTTPS协议栈大致是这样的：

![https][]

数字证书：一种文件的名称，好比一个机构或人的签名，能够证明这个机构或人的真实性。其中包含的信息，用于实现上述功能。

加密和认证：加密是指通信双方为了防止铭感信息在信道上被第三方窃听而泄漏，将明文通过加密变成密文，如果第三方无法解密的话，就算他获得密文也无能为力；认证是指通信双方为了确认对方是值得信任的消息发送或接受方，而不是使用假身份的骗子，采取的确认身份的方式。只有同时进行了加密和认真才能保证通信的安全，因此在SSL通信协议中这两者都被应。

因此，这三者的关系已经十分清楚了：HTTPS依赖一种实现方式，目前通用的是SSL，数字证书是支持这种安全通信的文件。另外有SSL衍生出TLS和WTLS，前者是IEFT将SSL标准化之后产生的（TSL1.0），与SSL差别很小，后者是用于无线环境下的TSL。

如何加密

常用的加密算法：

*  对称密码算法：是指加密和解密使用相同的密钥，典型的有DES、RC5、IDEA（分组加密），RC4（序列加密）；
 *  非对称密码算法：又称为公钥加密算法，是指加密和解密使用不同的密钥（公开的公钥用于加密，私有的私钥用于解密）。比如A发送，B接收，A想确保消息只有B看到，需要B生成一对公私钥，并拿到B的公钥。于是A用这个公钥加密消息，B收到密文后用自己的与之匹配的私钥解密即可。反过来也可以用私钥加密公钥解密。也就是说对于给定的公钥有且只有与之匹配的私钥可以解密，对于给定的私钥，有且只有与之匹配的公钥可以解密。典型的算法有RSA，DSA，DH；
 *  散列算法：散列变换是指把文件内容通过某种公开的算法，变成固定长度的值（散列值），这个过程可以使用密钥也可以不使用。这种散列变换是不可逆的，也就是说不能从散列值变成原文。因此，散列变换通常用于验证原文是否被篡改。典型的算法有：MD5，SHA，Base64，CRC等。

在散列算法（也称摘要算法）中，有两个概念，强无碰撞和弱无碰撞。弱无碰撞是对给定的消息x，就是对你想伪造的明文，进行运算得出相同的摘要信息。也就是说你可以控制明文的内容。强无碰撞是指能找到相同的摘要信息，但伪造的明文是什么并不知道。

SSL的加密过程：

需要注意的是非对称加解密算法的效率要比对称加解密要低的多。所以SSL在握手过程中使用非对称密码算法来协商密钥，实际使用对称加解密的方法对http内容加密传输。下面是对这一过程的形象的比喻：

假设A与B通信，A是SSL客户端，B是SSL服务器端，加密后的消息放在方括号\[\]里，以突出明文消息的区别。双方的处理动作的说明用圆括号（）括起。

*  A：我想和你安全的通话，我这里的对称加密算法有DES,RC5,密钥交换算法有RSA和DH，摘要算法有MD5和SHA。
 *  B：我们用DES－RSA－SHA这对组合好了。这是我的证书，里面有我的名字和公钥，你拿去验证一下我的身份（把证书发给A）。
 *  A：（查看证书上B的名字是否无误，并通过手头早已有的数字的证书验证了B的证书的真实性，如果其中一项有误，发出警告并断开连接，这一步保证了B的公钥的真实性）
 *  （产生一份秘密消息，这份秘密消息处理后将用作对称加密密钥，加密初始化向量和hmac的密钥。将这份秘密消息-协议中称为per\_master\_secret-用B的公钥加密，封装成称作ClientKeyExchange的消息。由于用了B的公钥，保证了第三方无法窃听）
 *  我生成了一份秘密消息，并用你的公钥加密了，给你（把ClientKeyExchange发给B）
 *  注意，下面我就要用加密的办法给你发消息了！
 *  （将秘密消息进行处理，生成加密密钥，加密初始化向量和hmac的密钥）
 *  \[我说完了\]
 *  B：（用自己的私钥将ClientKeyExchange中的秘密消息解密出来，然后将秘密消息进行处理，生成加密密钥，加密初始化向量和hmac的密钥，这时双方已经安全的协商出一套加密办法了）
 *  注意，我也要开始用加密的办法给你发消息了！
 *  \[我说完了\]
 *  A: \[我的秘密是…\]
 *  B: \[其它人不会听到的…\]

从上面的过程可以看到，SSL协议是如何用非对称密码算法来协商密钥，并使用密钥加密明文并传输的。还有以下几点补充：

1.  B使用数字证书把自己的公钥和其他信息包装起来发送A，A验证B的身份，下面会谈到A是如何验证的。
2.  A生成了了加密密钥、加密初始化向量和hmac密钥是双方用来将明文摘要和加密的。加密初始化向量和hmac密钥首先被用来对明文摘要（防止明文被篡改），然后这个摘要和明文放在一起用加密密钥加密后传输。
3.  由于只有B有私钥，所以只有B可以解密ClientKeyExchange消息，并获得之后的通信密钥。
4.  事实上，上述过程B没有验证A的身份，如果需要的话，SSL也是支持的，此时A也需要提供自己的证书，这里就不展开了。在设置IIS的SSL Require的时候，通常默认都是igore client certification的。

数字证书

###### 由上面的讨论可以知道，数字证书在ssl传输过程中扮演身份认证和密钥分发的功能。究竟什么是数字证书呢？ ######

简而言之数字证书是一种网络上证明持有者身份的文件，同时还包含有公钥。一方面，既然是文件那么就有可能”伪造”，因此，证书的真伪就需要一个验证方式；另一方面，验证方需要认同这种验证方式。

对于第一个需求，目前的解决方案是，证书可以由国际上公认的证书机构颁发，这些机构是公认的信任机构，一些验证证书的客户端应用程序：比如浏览器，邮件客户端等，对于这些机构颁发的证书完全信任。当然想要请这些机构颁发证书可是要付”到了斯”的，通常在Windows部署系统的时候会让客户端安装我们自己服务器的根证书，这样客户端同样可以信任我们的证书。

对于第二个需求，客户端程序通常通过维护一个”根受信任机构列表”，当收到一个证书时，查看这个证书是否是该列表中的机构颁发的，如果是则这个证书是可信任的，否则就不信任。

证书的信任

因此作为一个https的站点需要与一个证书绑定，无论如何，证书总是需要一个机构颁发的，这个机构可以是国际公认的证书机构，也可以是任何一台安装有证书服务的计算机。客户端是否能够信任这个站点的证书，首先取决于客户端程序是否导入了证书颁发者的根证书。下图说明了这个流程：

![dc][]

有时一个证书机构可能授权另一个证书机构颁发证书，这样就出现了证书链。

IE浏览器在验证证书的时候主要从下面三个方面考察，只要有任何一个不满足都将给出警告：

*  证书的颁发者是否在”根受信任的证书颁发机构列表”中
 *  证书是否过期
 *  证书的持有者是否和访问的网站一致

另外，浏览器还会定期查看证书颁发者公布的”证书吊销列表”，如果某个证书虽然符合上述条件，但是被它的颁发者在”证书吊销列表”中列出，那么也将给出警告。每个证书的CRL Distribution Point字段显示了查看这个列表的url。尽管如此，windows对于这个列表是”不敏感”的，也就是说windows的api会缓存这个列表，直到设置的缓存过期才会再从CRL Distribution Point中下载新的列表。目前，只能通过在证书颁发服务端尽量小的设置这个有效期（最小1天），来尽量使windows的客户端”敏感”些。

要实现ssl加密通信，必须要双方协商密钥，ssl采用的是非对称加密来实现密钥交换。在这个过程中，服务端向客户端发送的公钥就包含在证书中。客户端将自己生成的密钥用公钥加密，服务端用于公钥匹配的私钥解密。因此，可以想到的是，服务端保存了一个私钥，并且也与https的站点绑定了。

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