一文弄懂关于证书,签名,ssl,android包签名机制。
所有的概念都基于一个非常重要的基础:
rsa 非对称加密算法 :
先感受下几个概念
PKI。
PKI是公钥基础设施(Public Key Infrastructure) 包括PKI策略、软硬件系统、证书机构CA、注册机构RA、证书发布系统和PKI应用等。
我们关注就俩东西: PKCS 证书机构CA 。前者是定义加密算法,签名,证书相关的各种事情采用的协议。后者可以为我们颁发权威的证书。
PKCS :
PKCS(The Public-Key Cryptography Standards )是由美国RSA数据安全公司及其合作伙伴制定的一组公钥密码学标准,其中包括证书申请、证书更新、证书作废表发布、扩展证书内容以及数字签名、数字信封的格式等方面的一系列相关协议。RSA算法可以做加密、解密、签名、验证,还有RSA的密钥对存储。这些都需要标准来规范,如何输入,如何输出,如何存储等。
PKCS。全称是公钥密码学标准, 目前共发布过 15 个标准,这些标准都是协议。总结一下 就是对加密算法,签名,证书协议的描述。下面列举一些常用的协议,这些协议在本文都会对应上。
这些协议具体的实现就体现在openssl等工具中, 以及jdk工具keytool jdk java第三方库bouncycastle。
比如用openssl 如何生成公/私钥(PKCS#1)、签名(PKCS#1 )、签名请求文件(KCS#10)、 带口令的私钥(PKCS#8)。 含私钥的证书(PKCS#12)、证书库(PKCS#12)
其中涉及到算法的基础协议PKCS#1等,由于涉及到密码学原理所以我们并不需要深究它,只要知道怎么做就可以了。
现实中我们要解决这样一种情况:
客户端和服务器之间的数据要进行加密。需要两个达成同一个对称秘钥加密才行,那么这个秘钥如何生成,并在两边都能拿到,并保证传输过程中不被泄露。 这就用到非对称加密了。 后续的传输,就能用这个 对称秘钥来加密和解密了。
还有这样一个问题:
就是客户端如何判断服务端是否是合法的服务端。这就需要服务端有个id来证明它,而这个id 就是证书,而且必须是权威机构颁发的才能算是合法的。
因为客户端即浏览器,认定证书合法的规则必须通过第三方来确认 即ca颁发的证书。否则就我可能进了一个假网站。
而这两个问题 都是ssl协议要解决的内容。
所以ssl协议做了两件事情,一是验证身份,二是协商对称秘钥,并安全的传输。 而实现这个过程的关键数据模型就是证书, 通过证书中的ca对证书的签名,实现了身份验证,通过证书中的公钥,实现对对称秘钥加密,从而实现数据保密。 其实还顺手做了一件事情就是通过解密签名比对hash,保证了数据完整性。
明白ssl协议 首先明白几个重要的概念:
证书: 顾名思义就是提供了一种在Internet上验证通信实体身份的方式,数字证书不是数字身份证,由权威公正的第三方机构,即CA(例如中国各地方的CA公司)中心签发的证书, 就是可以认定是合法身份的。客户端不需要证书。 证书是用来验证服务端的。
一般的证书都是x509格式证书,这是一种标准的证书,可以和其他证书类型互相转换。完整来说证书包含,证书的内容,包括 版本号, 证书序列号, hash算法, 发行者名称,有效期, 公钥算法,公钥,签名(证书原文以及原文hash一起签名)而这个内容以及格式 都是标准化的,即x509格式 是一种标准的格式。
签名: 就用私钥对一段数据进行加密,得到的密文。 这一段数据在证书的应用上就是 对证书原文+原文hash进行签名。
谁签的名,就是用谁的私钥进行加密。就像身份证一样, 合法的身份证我们都依据是政府签的,才不是假证, 那就是浏览器会有政府的公钥,通过校验(解密)签名,如果能够解密,就可以确定这个就是政府的签名。就对了。
hash算法 :对原始数据进行某种形式的信息提取,被提取出的信息就被称作原始数据的消息摘要。比如,MD5和SHA-1及其大量的变体。 hash算法具有不可逆性,无法从摘要中恢复出任何的原始消息。长度总是固定的。MD5算法摘要的消息有128个比特位,SHA-1算法摘要的消息最终有160比特位的输出。
ca机构: 权威证书颁发机构,浏览器存有ca的公钥,浏览器以此公钥来验证服务端证书的合法性。
证书的获取: 生成证书申请文件csr(涉及到PKCS#10定义的规范)后向ca机构申请。 或者自己直接通过生成私钥就可以一步到位生成自签名证书。 自签名证书就是用自己的私钥来签名证书。
那么为了体现到 证书身份认证、数据完整、保密性三大特性 ,证书的简化模型可以认为包含以下两个要素:服务器公钥,ca的签名(被ca私钥加密过的证书原文+原文hash),
身份认证:
浏览器存有ca公钥,用ca公钥解密网站发给你的证书中的签名。如果能解密,说明该证书由ca颁发,证书合法。 否则浏览器就会报警告,问你是否信任这个证书,也就是这个网站。这时候的证书可以是任何人签发的,可以自己签发的。 但是中间人攻击。 完全伪造新的证书, 这就没有办法了。 所以还是信任证书的时候要谨慎。
数据完整:
如果你信任该证书的话,这时候就会用证书中的公钥去解密签名,如果是ca签发的证书,那么之前就已经通过ca的公钥去解密签名了。 然后得到证书hash,然后在浏览器重新对证书做hash,两者比对一致的话,说明证书数据没有被篡改。
保密性:
使用证书的公钥对对称秘钥加密保证传输安全,对称秘钥生成后,后续的传输会通过对称秘钥来在服务端和客户端的加解密。
那么ssl协议的具体过程就是:
4网站接收浏览器发来的数据之后 使用自己的私钥校验签名,并对原文进行hash 与解密出的hash 做比对检查完整性。然后发送编码改变通知,服务器握手结束通知(所有内容做hash )。 发送给客户端校验。
5 客户端校验,校验成功后,之后就用 对称秘钥进行通信了。
总共的过程是 c-s-c- s-c 四次握手。
四次握手简单来说分别是:
1请求获取证书
2服务端返回证书,客户端验证了证书的合法性和完整性,同时生成了对称秘钥。
3客户端把加密的 对称秘钥发给服务器。服务器检查真实性和完整性。
4服务端返回握手结束通知,客户端再检查一次真实性和完整性。
前两次握手是明文, 后两次握手是密文。 所以都要检查身份真实性和数据完整性。
ca的作用:
ca起到一个权威中间人的角色,如果脱离了ca, 那么证书还是证书,还能加密,保证数据完整性。 但是无法应用在客户端去认定服务器身份合法这个场景下。
下面就详细说下 脱离了ca签发的证书的应用:
自签名证书:
证书如果没有权威机构的签名,就是没有权威机构给你签发身份证。 那么这时候身份认证的场景变了。
这时候的认证场景就变成了,不再是某个官方权威说了算,而是假设第一次碰到这个证书,会认为,这个证书与之捆绑的实体之间是合法的并做记录。如果当这个实体下次捆绑了另一个证书,那么就是非法的。
这种情况常用于android中安装和校验app的时候,会先假设第一次安装的是合法的应用,认定这个app证书中的公钥是合法的公钥。然后通过自签名的证书,校验签名,就能实现后续安装是否合法以及完整性。
android中的如何对app进行身份认定和不被篡改:
android系统在安装app时候会进行校验applicationId,applicationId 不同会认定为不同应用。相同应用,第二次安装会校验证书是否和之前app的证书相同,如果相同则两个包很可能来自同一个身份。 如果证书不同,也就是该包被另一个身份用自己的私钥重新签名过,就会拒绝安装。 然后通过公钥来解密签名,如果能解密,说明身份是ok的。否则拒绝安装。比对解密签名后的hash 与apk包内的certsf文件(该文件是apk内所有文件生成的hash文件)是否一致,如果相同则认定为没有被篡改。
android在提交应用商店的问题:
应用商店也会校验 后续的上传和第一次上传时的证书,以及类似上述的后续的一系列校验。防止合法的开发者平台被盗后,上传非法应用。
android在接入第三方sdk的问题:
接入第三方sdk 会提交applicationId 和 sha1 值。 这个sha1值就是对 证书原文的签名后的sha1,也就是证书指纹。这个证书是证书库里最初的那个证书(x509格式),而不是对apk签名后生成的证书(PKCS#7)。一般的证书签名的主体是证书原文本身,而对apk签名还额外会对apk所有文件生成的hash值文件(certsf)进行一次签名。
第三方平台会记录 applicationId 与sha1 的对应关系。 当有假冒app试图接入时候,由于会对app内的PKCS#7证书转换为原始的x509格式证书,重新生成sha1值,与用户提交sha1 比对, 如果相同则说明证书很可能是ok的。 因为sha1就是证书的指纹。 之后就会通过证书中的公钥来校验签名,从而最终确认身份合法性以及信息完整性。
第三方平台之所以需要用户去提交证书指纹sha1值,多了这一步,就意味着你的证书是可以更换的,一旦更换了证书,就必须提交新的指纹给我,然后我来做匹配。而应用商店没有这个功能, 一旦你的证书的私钥丢了, 那就必须重新建一个新的app。
总结来看证书的身份认定机制:
在ssl协议下,这种场景是 浏览器用于认定合法的服务器身份。 在自签名证书下,需要用户选择是否信任该证书。
在android app采用自签名证书的场景下, 证书起到了 假设第一次的证书合法,公钥合法,后续如果证书不一致或不能够完成签名校验,就是非法。
证书库:
证书库应该满足PKCS#12协议。 但是jdk提供了制作证书的工具keytool 可以生成keystore类型的证书库,后缀为jks。 keystore pk12可以通过keytool命令互相转换。
证书库是个证书的容器, 可以用来创建数字证书。 在keystore证书库中,所有的数字证书是以一条一条(采用别名alias区别)的形式存入证书库的。证书库中的证书格式为pk12,即包含私钥。 如果导出证书的话, 可以导出为x509不包含私钥的格式 或者pk12包含私钥的证书。 也可以也可以用-import参数加一个证书或证书链到信任证书。
android中一般都采用读取证书库的方式,通过证书库来创建一个证书,通过alias来区分。 所以在签名的时候,一个alias是一个证书,不同的alias是不同的证书,不要搞错了。
几个关系:
证书和非对称加密算法的关系:
证书代表一个身份的主体,包含了非对称秘钥体系中的公钥,以及用私钥对证书签名。这种组织结构,把非对称加密算法从加密的功能,拓宽到了用于身份认证,信息完整性上。这体现在了证书的作用。 本质还是利用了非对称加密算法的特性。
ssl协议和证书的关系。
因为证书解决了客户端对服务器的身份认证(自签名证书除外),同时也解决了加密,和信息完整性,所以ssl协议基于证书来实现。
本文主要是简单介绍了常见的加密类型、各自的运用场景、为什么需要数字签名和数字证书、HTTPS涉及到的加密流程等。这里主要从使用者的角度出发,对算法本身不做过多介绍。
对称/非对称加密均属于 可逆加密,可以通过密钥将密文还原为明文 。
有时候,我们希望明文一旦加密后,任何人(包括自己)都无法通过密文逆推回明文,不可逆加密就是为了满足这种需求。
不可逆加密主要通过 hash算法实现:即对目标数据生成一段特定长度hash值 ;无论你的数据是1KB、1MB、1GB,都是生成特定长度的一个Hash值(比如128bit)。这里大家应该能感受到一点 不可逆 的味道,加密后128bit的hash值显然无法还原出1个G甚至更大的不规则数据的, hash可以看做是原来内容的一个摘要 。
常见算法:
小明给小红写信:
经过九转十八弯后,信的内容有可能:1 被窥视 2 被篡改(冒充小明发送假消息) :
小红先 生成对称加密的密钥key1 ,然后通过一个安全的渠道交予小明。
传输数据时,小明 使用key1加密 ,而小红收到后再 使用key1解密 。
这时候 中间者既看不到原来的内容,也没办法篡改 (因为没有密钥):
对称加密实现简单,性能优秀 ,算法本身安全级别高。然而对 密钥的管理 却是个很头疼的问题:一旦密钥交到对方手里,对方对密钥的保管能力 我方是没办法控制 的,一旦对方泄露的话,加密就形同虚设了。
相对而言,非对称加密的公钥就没有这个忧虑,因为 公钥 的设计就是为了 可以公开的 ,尽管对方泄露,我方也不会有任何损失。
小红生成一对公私钥,自己持有私钥(pri_key1),将公钥(pub_key1)交予小明。
传输数据时,小明使用 公钥加密 ,小红使用 私钥解密 。
因为 中间者没有私钥,公钥加密的内容是无法获取的 。此时达到了 防窥视 的效果:
然而因为 公钥是可以公开的 ,如果 中间者知晓公钥 的话,尽管没有办法看到原来的内容,却 可以冒充小明发送假消息 :
这时小红在想,如果小明发送消息时,能带上 只有他自己才能生成 的数据(字符串),我就能 验证是不是小明发的真实消息 了。
通常这个 能证实身份的数据(字符串) 被称之为 数字签名(Signature)
小明再生成一对公私钥 ,自己持有私钥(pri_key2),将公钥交予小红(pub_key2)。
当小明传输数据时(可能很大),除了公钥加密明文之外,还要带上签名:(1) 对明文做一个hash摘要 (2)对摘要进行私钥加密,加密结果即签名(传输内容=内容密文+签名)
小红收到后:(1) 解密签名获取hash (2)解密内容密文,对解密后的明文进行hash;如果两个hash一致,说明验签通过。
尽管中间者修改了传输内容,但因为签名无法冒认(没有私钥),小红验签失败,自然不会认可这份数据:
通常 非对称加密要做到防窥视和防篡改,需要有两对公私钥 :对方的公钥用于内容加密,自己的私钥用于签名(让对方验证身份)。
因为HTTP协议明文通信的安全问题,引入了HTTPS:通过建立一个安全通道(连接),来保证数据传输的安全。
服务器是 没办法直接将密钥传输到浏览器的 ,因为在 安全连接建立之前,所有通信内容都是明文的 ,中间者可窥视到密钥信息。
或许这时你想到了非对称加密,因为公钥是不怕公开的:
然而在第2步, 中间者可以截取服务器公钥,并替换成了自己的公钥 ,此时加密就没意义了:
为了 防止公钥被假冒,数字证书(digital certificate )便诞生了 。
当服务器需要告诉浏览器公钥时,并不是简单地返回公钥,而是响应 包含公钥信息在内的数字证书 。
证书主要包含以下内容:
浏览器通过 颁发机构的公钥进行解密验签 ,验签通过即说明证书的真实性,可以放心取 证书拥有者的公钥 了。( 常用CA机构的公钥都已经植入到浏览器里面 )
数字证书只做一件事: 保证 服务器响应的 公钥是真实的 。
以上保证了 [浏览器⇒服务器] 是加密的,然而 [服务器⇒浏览器] 却没有(上图第4步);另外一个是 性能问题 ,如果所有数据都使用非对称加密的话,会消耗较多的服务器资源,通信速度也会受到较大影响。
HTTPS巧妙地结合了非对称加密和对称加密,在保证双方通信安全的前提下,尽量提升性能。
HTTPS(SSL/TLS)期望 建立安全连接后,通信均使用对称加密 。
建立安全连接的任务就是让 浏览器-服务器协商出本次连接使用的对称加密的算法和密钥 ;协商过程中会使用到非对称加密和数字证书。
特别注意的是:协商的密钥必须是不容易猜到(足够随机的):
其中比较核心的是随机数r3(pre-master secret),因为之前的r1、r2都是明文传输的, 只有r3是加密传输 的。至于为什么需要三个随机数,可以参考:
以上是一个比较简单的HTTPS流程,详细的可以参考文末的引用。
参考资料:
[1] 数字证书应用综合揭秘
[2] SSL/TLS协议运行机制的概述
[3] 图解SSL/TLS协议
[4] 《图解HTTP》
数字签名采用的是非对称加密技术。
非对称加密技术,也称为公钥加密,使用两个密钥进行加密和解密操作,分别是公钥和私钥。公钥是公开的,任何人都可以使用,而私钥是保密的,只有密钥的主人才能使用。这种加密方式的主要优点是安全性高,因为私钥只有密钥的主人掌握,即使公钥被攻击者获取,也无法解密出原始信息。
在数字签名中,发送方使用自己的私钥对信息进行加密,生成数字签名,然后将数字签名和信息一起发送给接收方。接收方使用发送方的公钥对数字签名进行解密,验证信息的完整性和真实性。因为私钥只有发送方掌握,因此只有发送方才能生成有效的数字签名,这样可以确保信息的来源和完整性。
举个例子,假设小明要给小红发送一条加密信息。小明使用自己的私钥对信息进行加密,生成数字签名,然后将数字签名和信息一起发送给小红。小红收到信息后,使用小明的公钥对数字签名进行解密,验证信息的完整性和真实性。如果解密成功,说明信息确实是小明发送的,并且没有在传输过程中被篡改。
总之,数字签名采用的是非对称加密技术,使用公钥和私钥进行加密和解密操作,可以确保信息的来源和完整性。
电子签名和加密技术,电子签名技术的实现需要使用到非对称加密(RSA算法)和报文摘要(HASH算法)。
非对称加密是指用户有两个密钥,一个是公钥,一个是私钥,公钥是公开的,任何人可以使用,私钥是保密的,只有用户自己可以使用,公钥和私钥是对应关系。用户可以用对方的公钥加密信息,并传送给对方,对方使用自己的私钥将密文解开。公私钥是互相解密的,而且绝对不会有第三者能插进来。
报文摘要利用HASH算法对任何要传输的信息进行运算,生成128位的报文摘要,而不同内容的信息一定会生成不同的报文摘要,因此报文摘要就成了电子信息的“指纹”。
有了非对称加密技术和报文摘要技术,就可以实现对电子信息的电子签名了。 文档电子签名软件是一种电子盖章和文档安全系统,可以实现电子盖章(即数字签名)、文档加密、签名者身份验证等多项功能。对于签名者的身份确认、文档内容的完整性和签名不可抵赖性等问题的解决具有重要作用。
使用数字证书对Word文档进行数字签名,保证签名者的签名信息和被签名的文档不被非法篡改。签名者可以在签名时对文档签署意见,数字签名同样可以保证此意见不被篡改。
软件应嵌入Word环境,集成为应用组件,使用简便,界面友善。操作生成的数字签名和意见以对象方式嵌入Word文档,直观明了。
软件还应支持多人多次签名,每个签名可以在文档中的任意位置生成,完全由签名者控制。
软件避免采用宏技术,从而避免因用户禁用宏而导致软件失效。
数字签名使用的数字证书可以存储在智能卡和USB电子令牌之类的硬件设备中,这些存储介质自身有安全性高、携带方便等特点,进一步提高了系统的安全性。
在企业中,对于往来的需审批的重要文档,必须保持其安全、有效,并要求留下审批者的意见及签名,如果采用传统的方法如传真,势必造成大量的扫描文件需要存储,且不好管理,而电子签名在安全体系的保证下,将为文档管理的效率带来显著的提高。由此看来,采用先进的IT技术,能推动我们的办公无纸化进一步的向前发展。
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