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数字签名, 数字证书以及加密通信

一、预备概念

  • 对称加密：加密和解密使用同一个密钥
  • 非对称加密：又称公钥加密，加密和解密使用不同的密钥，分别称为公钥和私钥，公钥公开，私钥保密，使用公钥加密，使用私钥解密
  • 摘要算法：本质上是一类安全领域上使用的hash算法，摘要算法会根据输入数据生成一个固定长度的摘要数据，摘要算法是不可逆的，即无法通过摘要反推出原始数据，摘要可以用来唯一标识一个输入数据，即不同的输入数据会生成不同的摘要，同一个输入数据生成的摘要总是相同的
  • 数字签名：使用摘要算法对数据做摘要，并用私钥对摘要进行加密，生成一个固定长度的数据，用于验证数据的完整性
  • 数字证书：包含公钥和数字签名，用于验证公钥的正确性
  • 公钥基础设施（PKI）：公钥基础设施是一个以公钥加密技术为基础，为网络通信提供安全服务所必须的硬件、软件、人员、策略、规程和文档等构成的集合

二、数字签名

数字签名要解决什么问题

  1. 接收方无法验证消息的正确性和完整性，换句话说，接收方不知道消息是否在传输过程中损坏，也不知道消息是否被篡改过。
  2. 接收方无法验证消息发送者的身份，换句话说，接收方不知道消息是否真的是由发送者发送的，还是其他人伪造的。

数字签名如何解决上述问题

数字签名利用摘要算法和公钥加密解决上述两个问题

发送方通过摘要算法为消息生成一个唯一的标识，接收方接收到消息后重新对消息做摘要，如果和发送方生成的摘要一致，则说明消息在传输过程中没有被损坏或篡改。

同时，为了验证消息发送者的身份，还要使用公钥加密技术，用发送者的私钥对摘要进行加密，接收者用发送者的公钥对摘要解密后再进行签名验证，如果使用发送者的公钥无法解密出正确的摘要，说明这个公钥不是消息发送者的，即消息发送者的身份是不可信的。

数字签名的交互过程

数字签名分为两个过程，签名和验签，由发送方对消息签名，由接收方验证消息签名

具体的交互流程是

  1. 发送人对消息做摘要，并对摘要加密后生成数字签名，然后将签名和消息一起发送给接收人
  2. 接收人收到消息后，使用发送人的公钥解密摘要
  3. 接收人通过重新计算消息摘要的方式校验数字签名，如果摘要和加密后的摘要一致，则校验通过，即可证明消息的完整性和消息发送者的身份可信

三、数字证书

数字证书要解决什么问题

在使用数字签名的过程中存在一个问题，即接收人无法判断发送人的公钥是否可信，换言之，发送人提供的公钥有可能被篡改或伪造。数字证书就是为了解决公钥的可信性问题而被发明出来的。

数字证书如何解决这个问题

本质上来讲，数字证书是一种特殊的数字签名，和一般的数字签名的区别在于，数字证书是对消息发送人的公钥签名，而一般的数字签名是对一般性的消息做签名。

对公钥做签名同样面临签名者的公钥可信性问题，为此，引入了一个权威的第三方机构，这个第三方机构称为证书颁发机构（CA），由CA去给消息发送人颁发证书，CA的可信性来源于公共信用，即大家都同意CA是可信的，不需要再对CA做验证。

CA使用自己的私钥对消息发送人的公钥做签名，并将这个数字签名作为证书颁发给发送人，发送人给接收人发送消息时，将证书一并附上，由接收人去验证。CA会为自己的公钥颁发一个根证书，提前提供给用户，用户从根证书中获取到CA的公钥，对发送人的证书进行验证，并取得发送人的公钥，从而解决了公钥的可信性问题。

证书颁发和验证过程

数字证书的签发和验证过程

在CS架构的通信中，一般服务端要去向CA申请服务器证书，并在通信时将服务器证书发送给客户端，客户端提前拿到CA的根证书存储在本地，并利用根证书对服务器证书进行验证，从而验证服务端的身份。

证书的签发和验证过程具体如下：

  1. CA生成一个公私钥对，用私钥对公钥做签名，然后生成根证书（.crt文件，其中包含公钥和签名）
  2. 服务端生成自己的公私钥对，并用私钥对公钥生成一个签发请求（.csr文件，其中包含公钥和签名），向CA请求签发证书
  3. CA拿到签发请求后，用自己的公钥对服务端的公钥做签名，生成服务端证书（.crt文件），并将证书颁布给服务端
  4. 客户端提前安装好CA的根证书
  5. 服务端将服务端证书发送给客户端，客户端利用利用CA的根证书对服务端的证书做验证

自签证书

  • 自签证书 是指自己给自己签发的证书
  • 根证书是一种自签证书
  • 自签证书一般只用来做测试

X.509证书

x.509证书是一种由ITU（International TelecommumcationUnion，国际电信联盟）制定的数字证书通用规范标准，自1998年以来，已经发展了三个版本，分别是x.509 v1，x.509 v2和x.509 v3，目前人们说的x.509一般是指x.509 v3证书。

x.509证书中最重要的两个字段，证书持有者的公钥（Subject Public Key Info），以及签名（Signature）

x.509的编码格式是ASN.1

参考https://learn.microsoft.com/zh-cn/azure/iot-hub/reference-x509-certificates

证书和密钥文件格式

证书和密钥一般有两种格式，der格式和pem格式

der格式是原始的二进制格式，pem格式是base64编码格式，并且一般带有类似-----BEGIN CERTIFICATE-----和-----END CERTIFICATE-----的开头和结尾，表明文件的类型，pem格式是最常见的证书或密钥格式

实际的文件扩展名有多种，常见的有.pem、.der、.key、.csr、.crt等，文件内部真正的格式只有der和pem两种

除了der和pem以外，证书还有一些其他存储格式，例如pks7、pks8、pks12等

证书和公私钥的编码格式一般是ASN.1，参考https://learn.microsoft.com/zh-cn/windows/win32/seccertenroll/about-introduction-to-asn-1-syntax-and-encoding

如何用openssl签发和验证x509证书

#生成根私钥（使用ed25519算法）
 ./openssl genpkey -algorithm ed25519 -out tmp/ed25519_ca_pri -outform pem

#生成根公钥
./openssl pkey -in .\tmp\ed25519_ca_pri -pubout -out tmp/ed25519_ca_pub

#生成根证书（字段都要填，一般证书以.crt作为扩展名）
./openssl req -new -x509 -days 3650 -key .\tmp\ed25519_ca_pri -keyform pem -out ./tmp/ca_crt

You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [AU]:
State or Province Name (full name) [Some-State]:
Locality Name (eg, city) []:
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:
Organizational Unit Name (eg, section) []:
Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:
Email Address []:

#打印证书内容
./openssl x509 -in .\tmp\ca_crt -noout -text

#验证根证书（自己验证自己）
./openssl verify -CAfile .\tmp\ca_crt .\tmp\ca_crt

.\tmp\ca_crt: OK

#从证书中提取根公钥
openssl x509 -in tmp1/ca_crt -pubkey -noout


#生成用户私钥
./openssl genpkey -algorithm ed25519 -out tmp/ed25519_usr_pri -outform pem

#生成用户公钥
./openssl pkey -in .\tmp\ed25519_usr_pri -pubout -out tmp/ed25519_usr_pub

#生成用户证书签发请求（不带-x509参数就是生成签发请求，带上x509和时间就是生成证书，字段都要填，一般签发请求以.csr作为扩展名）
 ./openssl req -new -key .\tmp\ed25519_usr_pri -out ./tmp/usr_req

You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [AU]:
State or Province Name (full name) [Some-State]:
Locality Name (eg, city) []:
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:
Organizational Unit Name (eg, section) []:
Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:
Email Address []:

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:
An optional company name []:

#打印用户签发请求内容
./openssl req -in tmp/usr_req -noout -text

#为用户签发证书

./openssl x509 -req -days 3650 -in .\tmp\usr_req -CA .\tmp\ca_crt -CAkey .\tmp\ed25519_ca_pri -CAcreateserial -out tmp/usr_crt

Certificate request self-signature ok
subject=C = AU, ST = Some-State, O = Internet Widgits Pty Ltd

#验证用户证书
./openssl verify -CAfile .\tmp\ca_crt .\tmp\usr_crt

#从证书中提取用户公钥
openssl x509 -in tmp1/usr_crt -pubkey -noout

#使用用户私钥进行签名
./openssl pkeyutl -sign -inkey .\tmp1\ed25519_usr_pri -out tmp1/usr_sig -rawin -in .\tmp1\data.txt

#使用用户公钥进行验签
./openssl pkeyutl -verify -pubin -inkey .\tmp1\ed25519_usr_pub -rawin -in .\tmp1\data.txt -sigfile .\tmp1\usr_sig

Signature Verified Successfully

#证书格式转换，从der格式转为pem格式
openssl x509 -inform der -in certificate.der -out certificate.pem

四、加密通信

加密通信 = 密钥协商 + 对称加密

对称加密和公钥加密的对比

特性 对称加密 公钥加密
加密速度 快 慢
密钥管理 复杂，需要安全分发密钥 简单，公钥可以公开分发
主要用途 数据加密传输 密钥交换、数字签名、数字证书
典型算法 AES、DES RSA、ECC

常见公钥加密算法

非对称加密主要用途是做密钥协商（密钥交换）、生成和验证数字签名和证书

算法 名字 类型 说明
RSA Ron Rivest, Adi Shamir, Leonard Adleman 公钥加密 最早的公钥加密，是目前应用最广泛的公钥加密，目前认为2048位的RSA密钥是安全的（1024位的密钥已不安全）
DSA Digital Signature Algorithm 专门用于数字签名，由美国国家标准与技术研究院 (NIST) 于 1991 年提出，并于 1993 年被联邦信息处理标准 (FIPS) 采用 存在已知的安全性和政治问题，参考https://www.fisec.cn/1256.html
ECC 椭圆曲线加密算法 一类算法 用于非对称加密，密钥交换和数字签名。密钥比RSA短，性能和安全性强于RSA
ECDSA 椭圆曲线数字签名算法 数字签名 用于数字签名，是DSA的ECC实现。在区块链网络（比特币、以太坊）中被大量使用
ECDH 椭圆曲线密钥交换算法 密钥交换 DH（Diffie-Hellman）是一种密钥交换算法，DH密钥交换的ECC实现。由于密钥不是临时的，不安全，被openssl默认弃用
ECDHE 椭圆曲线密钥交换算法 密钥交换 比ECDH多个E，代表生成的密钥是临时的，即每次会话都会重新生成密钥。TLS/SSL主要的两种密钥交换算法之一（ECDHE和RSA）
EdDSA 爱德华兹曲线数字签名算法 数字签名 是一种基于扭曲爱德华兹曲线和Schnorr签名的数字签名方案。它比DSA和ECDSA更安全
Ed25519 基于25519曲线的EdDSA数字签名算法 数字签名 是一种基于SHA-512和ed25519的EdDSA数字签名算法（ed25519曲线是扭曲爱德华兹曲线的一个实例，由Daniel J. Bernstein提出）。被大量使用的起因是2013年斯诺登曝光的美国棱镜计划，此前25519曲线只在学术界被使用。无论是安全性还是性能，都优于RSA、ECDSA算法。使用少，是因为出现时间晚
x25519 基于curve25519曲线的密钥交换算法 密钥交换 Curve25519曲线是蒙哥马利椭圆曲线的一个实例，由Daniel J. Bernstein提出

关于椭圆曲线加密

椭圆曲线加密有两种有限域，Fp域（素数域），即有限域的范围为素数；F2m域，即特征为2的有限域，称之为二元域或者二进制扩展域，该域中，元素的个数为2m个。

素数域的五个参数(p,a,b,G,n,h)，p是有限域的范围，a和b确定曲线的形状，G是计算的基点，n是加法的次数，h是协因子

二进制扩展域的参数(m,f(x),a,b,G,n,h)，其中，m确定F2m，f(x)为不可约多项式，a和b用于确定椭圆曲线方程，G为基点，n为G的阶，h为余因子。

私钥=一个随机数，公钥=私钥乘以基点G

椭圆曲线有多种国际标准

1) X9.62，Public Key Cryptography For The Financial Services Industry: The Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA)； 2) SEC 1，Elliptic Curve Cryptography； 3) SEC 2，Recommended Elliptic Curve Domain Parameters； 4) NIST，(U.S.) National Institute of Standards and Technology，美国国家标准。

这些标准一般都描述了Fp域和F2m域、椭圆曲线参数、数据转换、密钥生成以及推荐了多种椭圆曲线。

加密算法的OID

OID，Object Identifier，对象标识符，用于标识一个对象，OID一般用来标识一个算法、一个确定参数的椭圆曲线之类的东西。

SSL/TLS

  • SSL，Secure Sockets Layer
  • TLS，Transport Layer Security
  • SSL/TLS是对因特网上的数据传输进行身份验证和加密的协议，SSL/TLS是对ssl和tls的统称，tls更先进，更安全的ssl，正在逐渐取代ssl
  • SSL/TLS有多个版本，使用How’s My SSL工具查看你的浏览器使用的是哪个SSL/TLS版本
  • SSL/TLS的握手过程
    1. 客户端和服务器互相告知各自支持的SSL/TLS版本，加密算法和压缩算法
    2. 客户端验证服务器证书，并获得服务器公钥
    3. 双方通过协商生成会话秘钥（会话秘钥是一个对称秘钥，对称加密比公钥加密快）
    4. 双方使用会话秘钥进行加密通信

https协议

  1. https在http的基础上增加了SSL/TLS协议，SSL/TLS依靠证书验证服务器身份，并对浏览器和服务器之间的通信进行加密
  2. https使用443端口，http使用80端口