证书(一)原理

一 前言

1 SSL(Secure Socket Layer)是netscape公司设计的主要用于web的安全传输协议。这种协议在WEB上获得了广泛的应用。SSL 协议的版本 1 和 2 只提供服务器认证。版本 3 添加了客户端认证，此认证同时需要客户端和服务器的数字证书。
2 IETF(www.ietf.org)将SSL作了标准化，即RFC2246,并将其称为TLS（Transport Layer Security），从技术上讲，TLS1.0与SSL3.0的差别非常微小。由于本文中没有涉及两者间的细小差别，本文中这两个名字等价。
3 在WAP的环境下，由于手机及手持设备的处理和存储能力有限，wap论坛（www.wapforum.org）在TLS的基础上做了简化，提出了WTLS协议（Wireless Transport Layer Security），以适应无线的特殊环境。

二 整体结构概览

SSL是一个介于HTTP协议与TCP之间的一个可选层，其位置大致如下：

－－－－－－－－－
|    HTTP      |
－－－－－－－－－
|    SSL       |
－－－－－－－－－
|    TCP       |
－－－－－－－－－
|    IP        |
－－－－－－－－－

如果利用SSL协议来访问网页，其步骤如下：
用户：在浏览器的地址栏里输入https://www.sslserver.com
HTTP层：将用户需求翻译成HTTP请求，如
GET /index.htm HTTP/1.1
Host www.sslserver.com

SSL层: 借助下层协议的的信道安全的协商出一份加密密钥，并用此密钥来加密HTTP请求。
TCP层：与web server的443端口建立连接，传递SSL处理后的数据。

接收端与此过程相反。

SSL在TCP之上建立了一个加密通道，通过这一层的数据经过了加密，因此达到保密的效果。

SSL协议分为两部分：Handshake Protocol和Record Protocol,。其中Handshake Protocol用来协商密钥，协议的大部分内容就是通信双方如何利用它来安全的协商出一份密钥。 Record Protocol则定义了传输的格式。

由于非对称加密的速度比较慢，所以它一般用于密钥交换，双方通过公钥算法协商出一份密钥(对称型，DES,RC5,IDEA，RC4)，然后通过对称加密来通信，当然，为了保证数据的完整性，在加密前要先经过HMAC的处理。

 

三，关于证书

注意，如果对于一般的应用，管理员只需生成“证书请求”（后缀大多为.csr），它包含你的名字和公钥，然后把这份请求交给诸如verisign等有CA服务公司（当然，连同几百美金），你的证书请求经验证后，CA用它的私钥签名(客户浏览器有CA的系列公钥，用来验证证书签名的)，形成正式的证书发还给你。管理员再在web server上导入这个证书就行了。如果你不想花那笔钱，或者想了解一下原理，可以自己做CA。从ca的角度讲，你需要CA的私钥和公钥。从想要证书的服务器角度将，需要把服务器的证书请求交给CA.

如果你要自己做CA，别忘了客户端需要导入CA的证书（CA的证书是自签名的，导入它意味着你“信任”这个CA签署的证书）。而商业CA的一般不用，因为它们已经内置在你的浏览器中了。

 

数字证书是一个经证书认证中心（CA）数字签名的包含公开密钥拥有者信息以及公钥的数据文件。认证中心的数字签名可以确保证书信息的真实性，用户公钥信息可以保证数字信息传输的完整性，用户的数字签名可以保证数字信息的不可否认性。　

如果客户A想和银行B通信，他首先必须从数据库中取得银行B的证书，然后对它进行验证。如果他们使用相同的CA（证书认证中心），事情就很简单，客户A只需验证银行B证书上CA的签名。如果他们使用不同的CA，问题就较为复杂。客户A必须从CA的树形结构底部开始，从底层CA往上层CA查询，一直追踪到同一个CA为止，找出共同的信任CA。目前个人获取网上银行安全证书的途径都是通过银行申请，所以双方肯定采用同一证书认证中心颁发的证书。

 

SSL 的握手协议非常有效的让客户和服务器之间完成相互之间的身份认证，其主要过程如下： 
　　① 客户端的浏览器向服务器传送客户端 SSL 协议的版本号，加密算法的种类，产生的随机数，以及其他服务器和客户端之间通讯所需要的各种信息。 
　　② 服务器向客户端传送 SSL 协议的版本号，加密算法的种类，随机数以及其他相关信息，同时服务器还将向客户端传送自己的证书。 
　 ③　客户利用服务器传过来的信息验证服务器的合法性，服务器的合法性包括：证书是否过期，发行服务器证书的 CA 是否可靠，发行者证书的公钥能否正确解开服务器证书的“发行者的数字签名”，服务器证书上的域名是否和服务器的实际域名相匹配。如果合法性验证没有通过，通讯将断开；如果合法性验证通过，将继续进行第四步。 
　　④　用户端随机产生一个用于后面通讯的“对称密码”，然后用服务器的公钥（服务器的公钥从步骤②中的服务器的证书中获得）对其加密，然后将加密后的“预主密码”传给服务器。 
　 ⑤ 如果服务器要求客户的身份认证（在握手过程中为可选），用户可以建立一个随机数然后对其进行数据签名，将这个含有签名的随机数和客户自己的证书以及加密过的“预主密码”一起传给服务器。 
　 ⑥ 如果服务器要求客户的身份认证，服务器必须检验客户证书和签名随机数的合法性，具体的合法性验证过程包括：客户的证书使用日期是否有效，为客户提供证书的 CA 是否可靠，发行 CA 的公钥能否正确解开客户证书的发行 CA 的数字签名，检查客户的证书是否在证书废止列表（CRL）中。检验如果没有通过，通讯立刻中断；如果验证通过，服务器将用自己的私钥解开加密的“预主密码”，然后执行一系列步骤来产生主通讯密码（客户端也将通过同样的方法产生相同的主通讯密码）。 
　　⑦ 服务器和客户端用相同的主密码即“通话密码”，一个对称密钥用于 SSL 协议的安全数据通讯的加解密通讯。同时在 SSL 通讯过程中还要完成数据通讯的完整性，防止数据通讯中的任何变化。 
　　⑧ 客户端向服务器端发出信息，指明后面的数据通讯将使用的步骤⑦中的主密码为对称密钥，同时通知服务器客户端的握手过程结束。 
　　⑨ 服务器向客户端发出信息，指明后面的数据通讯将使用的步骤⑦中的主密码为对称密钥，同时通知客户端服务器端的握手过程结束。 
　　⑩ SSL 的握手部分结束，SSL 安全通道的数据通讯开始，客户和服务器开始使用相同的对称密钥进行数据通讯，同时进行通讯完整性的检验。

 

双向认证 SSL 协议的具体过程 
　　 ① 浏览器发送一个连接请求给安全服务器。 
　　② 服务器将自己的证书，以及同证书相关的信息发送给客户浏览器。 
　　③ 客户浏览器检查服务器送过来的证书是否是由自己信赖的 CA 中心所签发的。如果是，就继续执行协议；如果不是，客户浏览器就给客户一个警告消息：警告客户这个证书不是可以信赖的，询问客户是否需要继续。 
　　 ④ 接着客户浏览器比较证书里的消息，例如域名和公钥，与服务器刚刚发送的相关消息是否一致，如果是一致的，客户浏览器认可这个服务器的合法身份。 
　　 ⑤ 服务器要求客户发送客户自己的证书。收到后，服务器验证客户的证书，如果没有通过验证，拒绝连接；如果通过验证，服务器获得用户的公钥。 
　　 ⑥ 客户浏览器告诉服务器自己所能够支持的通讯对称密码方案。 
　　 ⑦ 服务器从客户发送过来的密码方案中，选择一种加密程度最高的密码方案，用客户的公钥加过密后通知浏览器。 
　　 ⑧ 浏览器针对这个密码方案，选择一个通话密钥，接着用服务器的公钥加过密后发送给服务器。 
　　 ⑨ 服务器接收到浏览器送过来的消息，用自己的私钥解密，获得通话密钥。 
　　 ⑩ 服务器、浏览器接下来的通讯都是用对称密码方案，对称密钥是加过密的。 
　　　上面所述的是双向认证 SSL 协议的具体通讯过程，这种情况要求服务器和用户双方都有证书。单向认证 SSL 协议不需要客户拥有 CA 证书，具体的过程相对于上面的步骤，只需将服务器端验证客户证书的过程去掉，以及在协商对称密码方案，对称通话密钥时，服务器发送给客户的是没有加过密的（这并不影响SSL 过程的安全性）密码方案。 这样，双方具体的通讯内容，就是加过密的数据，如果有第三方攻击，获得的只是加密的数据，第三方要获得有用的信息，就需要对加密的数据进行解密，这时候的安全就依赖于密码方案的安全。而幸运的是，目前所用的密码方案，只要通讯密钥长度足够的长，就足够的安全。这也是我们强调要求使用 128 位加密通讯的原因。

 

证书各部分的含义 
Version 证书版本号，不同版本的证书格式不同 
Serial Number 序列号，同一身份验证机构签发的证书序列号唯一 
Algorithm Identifier 签名算法，包括必要的参数 Issuer 身份验证机构的标识信息 
Period of Validity 有效期 
Subject 证书持有人的标识信息 
Subject’s Public Key 证书持有人的公钥 
Signature 身份验证机构对证书的签名

 

证书的格式　 

认证中心所发放的证书均遵循 X.509 V3 标准，其基本格式如下：

证书版本号（Certificate Format Version） 含义：用来指定证书格式采用的 X.509 版本号。 
证书序列号（Certificate Serial Number） 含义：用来指定证书的唯一序列号，以标识 CA 发出的所有公钥证书。 
签名（Signature） 算法标识（Algorithm Identifier） 含义：用来指定 CA 签发证书所用的签名算法。 
签发此证书的 CA 名称（Issuer ） 含义：用来指定签发证书的 CA 的 X.500 唯一名称（DN， Distinguished Name）。 
证书有效期（Validity Period） 起始日期（notBefore） 终止日期（notAfter） 含义：用来指定证书起始日期和终止日期。 
用户名称（Subject） 含义：用来指定证书用户的 X.500 唯一名称（DN，Distinguished Name）。 
用户公钥信息（Subject Public Key Information） 算法（algorithm） 算法标识（Algorithm　Identifier） 用户公钥（subject　Public　Key） 含义：用来标识公钥使用的算法，并包含公钥本身。 
证书扩充部分（扩展域）（Extensions） 含义：用来指定额外信息。　 
X.509 V3 证书的扩充部分（扩展域）及实现方法如下： CA 的公钥标识（Authority　Key　Identifier） 公钥标识（SET 未使用）（Key　Identifier） 签发证书者证书的签发者的甄别名（Certificate　Issuer） 签发证书者证书的序列号（Certificate Serial Number）

　X.509 V3 证书的扩充部分（扩展域）及实现CA 的公钥标识（Authority　Key　Identifier） 公钥标识（SET 未使用）（Key　Identifier） 签发证书者证书的签发者的甄别名（Certificat签发证书者证书的序列号（Certificate Serial N含义：CA 签名证书所用的密钥对的唯一标识用户的公钥标识（Subject　Key　Identifier）　含义：用来标识与证书中公钥相关的特定密钥进行解密。 证书中的公钥用途（Key　Usage） 含义：用来指定公钥用途。 
用户的私钥有效期（Private　Key　Usage　Period） 起始日期（Note　Before） 终止日期（Note　After） 含义：用来指定用户签名私钥的起始日期和终止日期。 CA 承认的证书政策列表（Certificate Policies） 含义：用来指定用户证书所适用的政策，证书政策可由对象标识符表示。 用户的代用名（Substitutional　Name） 含义：用来指定用户的代用名。 CA 的代用名（Issuer　Alt　Name） 含义：用来指定 CA 的代用名。 基本制约（Basic　Constraints） 含义：用来表明证书用户是最终用户还是 CA。 在 SET 系统中有一些私有扩充部分（扩展域）Hashed　Root　Key 含义：只在根证书中使用，用于证书更新时进行回溯。 证书类型（Certificate　Type） 含义：用来区别不同的实体。该项是必选的。 商户数据（Merchant　Data） 含义：包含支付网关需要的所有商户信息。 持卡人证书需求（Card　Cert　Required） 含义：显示支付网关是否支持与没有证书的持卡人进行交易。 SET 扩展（SETExtensions） 含义：列出支付网关支持的支付命令的 SET 信息扩展。 CRL 数据定义版本（Version） 含义：显示 CRL 的版本号。 
CRL 的签发者（Issuer） 含义：指明签发 CRL 的 CA 的甄别名。 CRL 发布时间（this　Update） 预计下一个 CRL 更新时间（Next　Update） 撤销证书信息目录（Revoked　Certificates） CRL 扩展（CRL　Extension） CA 的公钥标识（Authority　Key　Identifier） CRL 号（CRL　Number）