java下的证书访问详解

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分类专栏： java 安全文章标签： java web安全

于 2017-08-13 15:04:52 首次发布

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非对称加密

也称为公钥加密，是一种加密技术，使用一对公钥和私钥进行加密和解密操作。这种加密方式的核心特点是：公钥和私钥是成对出现的，公钥用于加密数据，私钥用于解密数据，反之亦然。由于公钥可以公开，而私钥必须保密，因此非对称加密在安全性、密钥管理和通信中具有独特的优势。

非对称加密的工作原理

密钥对生成：
- 用户生成一对密钥：公钥（Public Key）和私钥（Private Key）。
- 公钥可以公开分发给任何人，而私钥必须严格保密。
加密过程：
- 发送方使用接收方的公钥对数据进行加密。
- 加密后的数据只有持有对应私钥的接收方才能解密。
解密过程：
- 接收方使用自己的私钥对加密数据进行解密，恢复原始数据。

非对称加密的应用场景

安全通信：
- 在网络通信中，非对称加密用于保护数据的机密性。例如，HTTPS协议中，服务器的公钥用于加密客户端和服务器之间的通信数据，只有服务器的私钥才能解密。
数字签名：
- 非对称加密用于验证消息的完整性和发送者的身份。发送方使用自己的私钥对消息生成数字签名，接收方使用发送方的公钥验证签名的真实性。
密钥交换：
- 非对称加密用于安全地交换对称加密的密钥。例如，Diffie-Hellman密钥交换协议允许双方在不安全的通道上协商一个共享密钥，用于后续的对称加密通信。
身份认证：
- 在身份认证中，客户端使用服务器的公钥加密数据，服务器使用私钥解密，从而验证客户端的身份。

证书

非对称加密的公钥载体。

用户证书

标志用户身份的证书，比如某个server端的身份证书。

X509证书结构

我们使用java的X509Certificate类即可获得证书的信息，代码如下：

public final class CertUtil {

    public static X509Certificate certFromPath(String path) throws Exception {
        CertificateFactory cf = CertificateFactory.getInstance("X.509");
        try (InputStream is = new FileInputStream(path)) {
            return (X509Certificate) cf.generateCertificate(is);
        }
    }

输入文件路径，即可得到一个X509Certificate类实例，我们打印这个实例，看下其中的内容：

[
[
Version: V3
Subject: O=ABC, CN=ABC2048
Signature Algorithm: SHA1withRSA, OID = 1.2.840.113549.1.1.5

Key: Sun RSA public key, 2048 bits
modulus: …
public exponent: 65537
Validity: [From: Fri Aug 02 16:15:39 CST 2013,
To: Thu Jul 28 17:15:39 CST 2033]
Issuer: O=ABC, CN=ABC2048
SerialNumber: [ 7b97ca10 275a0000 0000]

Certificate Extensions: 4
…

]
Algorithm: [SHA1withRSA]
Signature:
0000: 4D DA C0 7C 5D 2F 30 AD D2 28 F7 11 B3 AA 48 48 M…]/0…(…HH
0010: F3 02 39 4E B2 CE FF 99 06 2D 20 B6 F9 42 23 93 …9N…- …B#.
…

]

主要是这么几项：

证书版本，一般是V3；
证书持有者（Subject），注意，身份证书的Subject字段里的CN字段必须是要访问的域名，访问某个server时就匹配域名和CN，来从证书库（一般为trustStore文件）里选取对应的身份证书；
签名算法（这里是SHA1withRSA，该算法会有一个固定的OID）；
公钥（这是最关键的，证书本质上就是公钥的载体），由modulus+public exponent组成；
证书有效时间区间；
颁发者（Issuer），一般是某个CA机构；
序列号（每个证书唯一，用于CRL中的证书失效列表）；
一些扩展项，包括CRL召回网址等；

上述内容我们不妨称之为核心证书C。

证书的验证

核心证书C后跟着证书签名，签名是用私钥对C进行摘要并加密后的内容，它起到校验证书的作用，我们知道，不对称加密体系下，公钥和私钥是一一对应的，公钥加密的内容只有私钥才能解，反之亦然。私钥是我自己持有的，我用私钥加密核心证书C的摘要得到一份签名S，然后把C+S传到对端，对端用C里的公钥+签名算法就可以解出S的明文T，接着再用公开的摘要算法对C做摘要得到T’，比较T和T’就可以判断公私钥是否匹配，从而判断我的身份。
上述过程用java代码表示是：

public void testVerify() throws Exception {
        X509Certificate dev = CertUtil.certFromPath("E:\\01study\\07Java\\certs\\dev1.cer");

        Signature sig = Signature.getInstance(dev.getSigAlgName());
        sig.initVerify(dev.getPublicKey()); //设置公钥

        //we should use getTBSCertificate NOT getEncoded, cause the later is whole file which includes signature
        sig.update(dev.getTBSCertificate()); //设置核心证书C
        boolean match = sig.verify(dev.getSignature()); //对签名做解密及比对
        if (match) {
            System.out.println("matched");
        } else {
            System.out.println("ERROR:unmatched");
        }
    }

其实，testVerify的整个过程已由X509Certificate::verify封装好了提供出来。我们这里相当于解释了一下X509Certificate::verify的原理。

CA证书

只有用户证书是不够的，任何人都可以广播一份用户证书出来说“我是刘德华，你们把消息都发给我吧”，可谁能证明这份证书真的就是刘德华的而非别人冒充的？换个说法，用户证书的可靠性该由谁来保证？于是就有了CA（certificate authority）这个第三方权威机构，大家只认CA签发的用户证书。

好，用户证书的可靠性解决了，新的问题来了：如何确认CA自身的身份不是伪造的？

一般说来，我们向CA申请用户证书时，随用户证书一起，CA也会公布它自己的身份证书（Certificate Authority Certificate），该证书即为CA证书。CA证书可不止一份，它和用户证书一起构成一条证书链，链的顶层为根CA证书，链的次级为中间CA证书，最底层才是用户证书。根CA证书是由CA自签名的证书，因而不再依赖其它证书，一般是预置在系统或浏览器中，它是信任验证的终点。中间证书是由根证书或其他中间证书签发的证书，位于根证书和最终用户证书之间，一般不预置。

证书链的验证过程：

获取用户证书（例如，server端身份证书），得到其颁发CA，并找到该CA对应的中间CA证书。
通过中间证书向上追溯到根证书。
如果根证书可信，则整个证书链验证通过。

自签名证书

是由证书所有者自己生成和签名的数字证书，而不是由权威的第三方证书颁发机构（CA）签发的证书。它的Subject和Issuer是相同的，由于未经过权威CA的验证，因此在公共网络中信任度较低，一般用于内部开发。

java的X509TrustManager类

x509校验接口定义：

public interface X509TrustManager extends TrustManager {
    // 验证客户端证书
    void checkClientTrusted(X509Certificate[] var1, String authType) throws CertificateException;

    // 验证服务端证书	
    void checkServerTrusted(X509Certificate[] var1, String authType) throws CertificateException;

    // 返回受信任的CA(证书颁发机构)证书列表
    X509Certificate[] getAcceptedIssuers();
}

checkServerTrusted就是前文说的client验证server端证书，校验不通过则抛异常。一般情况下我们实现checkServerTrusted接口即可。下面是一个实现的例子：

import java.security.cert.CertificateException;
import java.security.cert.X509Certificate;
import javax.net.ssl.X509TrustManager;

public class CustomTrustManager implements X509TrustManager {
    @Override
    public void checkClientTrusted(X509Certificate[] chain, String authType) throws CertificateException {
        // 不验证客户端证书
    }

    @Override
    public void checkServerTrusted(X509Certificate[] chain, String authType) throws CertificateException {
        // 验证服务器证书链，chain的第一个是用户证书，最后一个是根证书
        TrustManagerFactory trustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance(TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm());
        trustManagerFactory.init((KeyStore) null);
        TrustManager[] trustManagers = trustManagerFactory.getTrustManagers();
        
        for (TrustManager trustManager : trustManagers) {
            if (trustManager instanceof X509TrustManager) {
                ((X509TrustManager) trustManager).checkServerTrusted(chain, authType);
                return;
            }
        }
        
        throw new CertificateException("Failed to validate server certificate chain.");
    }

    @Override
    public X509Certificate[] getAcceptedIssuers() {
        return new X509Certificate[0];
    }
}