关于数字证书、CA、数字签名关系与作用

         一、数字证书和 CA 机构

1.1 数字证书的作用

1.2 证书是谁颁发的

二、如何验证证书可信

2.1 数字证书验证过程

2.2 多层级证书验证过程

三、证书中的公钥有什么作用

3.1 证书中取出公钥

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平时网络协议都是https协议，那HTTPS协议是HTTP协议与SSL/TLS协议的简称，TLS 可以看作是 SSL 的升级，TLS/SSL 中使用了非对称加密，对称加密以及 HASH 算法。那么加密算法的密钥是如何传递的呢，就是通过数字证书进行传递的。

一、数字证书和 CA 机构

一个数字证书通常包含了：

• 公钥；
• 持有者信息；
• 证书认证机构（CA）的信息；
• CA 对这份文件的数字签名及使用的算法；
• 证书有效期；
• 还有一些其他额外信息；

1.1 数字证书的作用

用来认证公钥持有者的身份，以防止第三方进行冒充。说简单些，证书就是用来告诉客户端，该服务端是否是合法的，因为只有证书合法，才代表服务端身份是可信的。

1.2 证书是谁颁发的

我们用证书来认证公钥持有者的身份（服务端的身份），那证书又是怎么来的？又该怎么认证证书呢？

为了让服务端的公钥被大家信任，服务端的证书都是由 CA （Certificate Authority，证书认证机构）签名的，CA 就是网络世界里的公安局、公证中心，具有极高的可信度，所以由它来给各个公钥签名，信任的一方签发的证书，那必然证书也是被信任的。之所以要签名，是因为签名的作用可以避免中间人在获取证书时对证书内容的篡改。

二、如何验证证书可信

第一小节讲了数字证书的作用以及CA签名，那服务端将证书发送给客户端，客户端如何验证证书的可信呢？证书是如何进行签名与验证的？

2.1 数字证书验证过程

CA 签发证书的过程，如上图左边部分：

• 首先 CA 会把持有者的公钥、用途、颁发者、有效时间等信息打成一个包，然后对这些信息进行 Hash 计算，得到一个 Hash 值；
• 然后 CA 会使用自己的私钥将该 Hash 值加密，生成 Certificate Signature，也就是 CA 对证书做了签名；
• 最后将 Certificate Signature 添加在文件证书上，形成数字证书；

客户端校验服务端的数字证书的过程，如上图右边部分：

• 首先客户端会使用同样的 Hash 算法获取该证书的 Hash 值 H1；
• 通常浏览器和操作系统中集成了 CA 的公钥信息，浏览器收到证书后可以使用 CA 的公钥解密 Certificate Signature 内容，得到一个 Hash 值 H2 ；
• 最后比较 H1 和 H2，如果值相同，则为可信赖的证书，否则则认为证书不可信。

例如：百度网站的证书

证书的验证过程中还存在一个证书信任链的问题，因为我们向 CA 申请的证书一般不是根证书签发的，而是由中间证书签发的，比如百度的证书

2.2 多层级证书验证过程

对于这种三级层级关系的证书的验证过程如下：

• 客户端收到 http://baidu.com 的证书后，发现这个证书的签发者不是根证书，就无法根据本地已有的根证书中的公钥去验证 http://baidu.com 证书是否可信。于是，客户端根据 http://baidu.com 证书中的签发者，找到该证书的颁发机构是 “GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2”，然后向 CA 请求该中间证书。
• 请求到证书后发现 “GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2” 证书是由 “GlobalSign Root CA” 签发的，由于 “GlobalSign Root CA” 没有再上级签发机构，说明它是根证书，也就是自签证书。应用软件会检查此证书有否已预载于根证书清单上，如果有，则可以利用根证书中的公钥去验证 “GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2” 证书，如果发现验证通过，就认为该中间证书是可信的。
• “GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2” 证书被信任后，可以使用 “GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2” 证书中的公钥去验证 http://baidu.com 证书的可信性，如果验证通过，就可以信任 http://baidu.com 证书。

在这四个步骤中，最开始客户端只信任根证书 GlobalSign Root CA 证书的，然后 “GlobalSign Root CA” 证书信任 “GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2” 证书，而 “GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2” 证书又信任 http://baidu.com 证书，于是客户端也信任 http://baidu.com 证书。

总括来说，由于用户信任 GlobalSign，所以由 GlobalSign 所担保的 http://baidu.com 可以被信任，另外由于用户信任操作系统或浏览器的软件商，所以由软件商预载了根证书的 GlobalSign 都可被信任。

电脑中内置的证书如下：

我们自己申请的证书一般都不是根证书，因为太贵了，会有很多中间证书机构生成中间证书。证书是有链式关系的，根证书->中间证书->中间证书->…。浏览器在验证证书的时候，会一级级的向上认证，所有的证书都是受信任的，这个验证才受信任。

为什么需要证书链这么麻烦的流程？Root CA 为什么不直接颁发证书，而是要搞那么多中间层级呢？

这是为了确保根证书的绝对安全性，将根证书隔离地越严格越好，不然根证书如果失守了，那么整个信任链都会有问题。

三、证书中的公钥有什么作用

3.1 证书中取出公钥

https创建连接的时候会进行TLS握手， TLS 握手基本都是使用 RSA 算法来实现密钥交换的，在将 TLS 证书部署服务端时，证书文件其实就是服务端的公钥，会在 TLS 握手阶段传递给客户端，而服务端的私钥则一直留在服务端，一定要确保私钥不能被窃取。

在 RSA 密钥协商算法中，客户端会生成随机密钥，并使用服务端的公钥加密后再传给服务端。根据非对称加密算法，公钥加密的消息仅能通过私钥解密，这样服务端解密后，双方就得到了相同的密钥，再用它加密应用消息。