什么是 PKI

概述

PKI (Public Key Infrastructure，公钥基础设施) 是一整套围绕非对称加密建立的制度与技术，用来：

  • 标识与认证身份(谁是谁)
  • 分发与管理密钥/证书
  • 建立信任链(我为什么要相信这张证书)
  • 支持撤销与审计(证书被盗/失效如何处理)

它既包括技术构件(证书、算法、协议)，也包含流程与治理(身份审核、吊销策略、审计留痕)。

例如通过浏览器打开baidu，在地址栏的左边会显示一个小锁，点击小锁，就有提示“连接安全”：

PKI体系介绍_PKI

但是打开某些网站，就会出现“不安全”的提示，即使是使用https的方式：

PKI体系介绍_PKI_02

这就是通过PKI体系，对一个web应用进行认证，以确定打开的web是否安全。

PKI体系中的概念及角色

在PKI体系中，核心概念包含如下几点：

  • 公钥/私钥：非对称加密的基石。私钥保密，公钥可分发。
  • 数字证书(X.509)：把“公钥 + 身份信息 + 使用目的 + 有效期”等打包，并由签发者用其私钥签名。
  • 证书链：服务器证书 → 中间 CA → 根 CA，逐级签名构成“从叶子到信任锚”的路径。
  • 根 CA(Root CA)：处于最顶层，其公钥(根证书)预装在操作系统/浏览器的信任库中。他是一个自签名证书。根 CA 的私钥至关重要，一旦泄露，整个信任体系就崩了。通常根 CA 离线保存，只在需要签发中间 CA 时使用。
  • 中间 CA(Intermediate CA)：由根 CA 签发，用于日常证书签发，可以在线，方便操作。这样即使中间 CA 泄露，也只需要撤销该中间 CA，不会破坏整个体系。
  • CRL/ OCSP：证书吊销机制。CRL 是列表文件，OCSP 是在线查询。
  • EKU/Key Usage：证书可做什么(如 serverAuth、clientAuth 等)。
  • SAN(Subject Alternative Name)：放域名/IP 的扩展字段；浏览器以 SAN 为准进行主机名匹配。

PKI体系认证过程

PKI的认证过程，就是如何验证一份数字证书是否合法、可信的过程。它依赖于证书链(Chain of Trust)和 CA 的签名。

下面通过用户用浏览器访问一个HTTPS网站，介绍认证流程：

服务器出示证书

网站服务器(如 https://example.com)在 TLS 握手时，会把自己的证书发给客户端(浏览器)。

证书里包含：

  • 公钥
  • 域名信息
  • 有效期
  • 签发 CA 信息
  • CA 的签名

证书内容包含的内容如下：

PKI体系介绍_证书认证_03

浏览器验证证书

客户端(如浏览器)在 TLS 握手时，会对服务器发送过来的证书进行如下检查，只有全部满足的证书才会标记为安全连接，其它都会提示“不安全”：

  • 域名匹配：检查证书中的SAN 是否与访问的域名一致。
  • 时间有效性：检查证书是否在有效期内。
  • 吊销状态：通过 CRL(证书吊销列表)或 OCSP(在线证书状态协议)检查证书是否被吊销。
  • 从服务器证书后开始，沿着证书链向上验证：网站证书 -> 中间CA(可能有多级) -> 根CA；每一级证书都由上一级CA签名，浏览器用上一级的公钥来验证本级的签名。证书链最终会追溯到一个根CA证书，只有在操作系统或浏览器的“受信任的根证书颁发机构”中的根CA才算认证通过。

从服务器证书到根CA的证书链如图：

PKI体系介绍_PKI_04

“受信任的根证书颁发机构”为操作系统或者浏览器信任的根证书，一般为操作系统或者浏览器自动添加，也可以人工添加或删除：

PKI体系介绍_签名证书_05

根证书的产生

在 PKI 体系 中，根 CA(Root CA) 是整个信任链的最顶端，地位相当于“最高法院”，所有下级的中间 CA(Intermediate CA)和最终颁发的证书都要依赖它的信任。服务器出示证书。

下面从技术角度和信任角度分析根证书产生的过程。

技术角度分析

与中间 CA 或普通证书不同，根 CA 没有上级机构给它签名。因此，根 CA 使用 自己的私钥 对包含自身公钥和身份信息的证书进行签名，这就是 自签名根证书。

根证书内容包含：根 CA 的 公钥，组织信息(如 "VeriSign Root CA")，有效期(一般很长，比如 20-30 年)，签名算法(如 sha256WithRSAEncryption)，根 CA 的自签名。

根私钥极度敏感，一旦泄露，整个信任体系都会崩溃。

同时，任何人或者机构都可以生成根CA，关键要看操作系统或者浏览器是否信任这个根CA

     信任角度分析

各大厂商都会维护受信任的根证书列表(Root Certificate Store)，这个列表就是“信任的起点”。所以安装完Windows或者Linux操作系统，系统内就会自带一个“受信任的根证书颁发机构”，同时安装完浏览器，也会有浏览器自带的“受信任的根证书颁发机构”。在后续的认证过程，都以这个“受信任的根证书颁发机构”作为认证的起点。

商业 CA(比如 DigiCert、GlobalSign、Sectigo)需要向操作系统/浏览器厂商提交申请，证明自己符合安全标准。厂商会对 CA 进行严格审核，一旦审核通过，CA 的根证书会被打包到操作系统/浏览器的根证书库中，并通过系统更新/浏览器更新推送给用户。

如果某个 CA 发生重大事故(例如：颁发了错误的证书，根私钥泄露，内部管理混乱)，操作系统/浏览器厂商会立即将它的根证书移出受信任列表，或者标记为“不用于 TLS”。