数字签名
数字签名是一种用于信息真实性和完整性校验的手段,一套数字签名包含签名和验证两种运算。下面是一套简单的数字签名示意图。
原理
数字签名使用非对称加密技术。每个人都有一对钥匙,私钥只有本人知道,公钥公开,私钥签名,公钥验签。
在进行信息传递时,信息发送者用私钥生成签名并将公钥一起发送给信息接收者,接收者使用公钥验签。上述过程中信息完整性得到校验,但发送者的身份是否合法无法得知(因为任何人都可以声称自己是合法的),因此引入了身份认证机构。
身份认证机构是信息接收者能信任的机构,所有的公钥必须向该机构进行注册。注册后身份认证机构给发送者颁发一张数字证书。对文件签名后,发送者把此数字证书连同文件及签名一起发给信息接收者,接收者向身份认证机构求证是否真地是用发送者密钥签发的文件。
数字证书
数字证书是一种电子档案,用来证明公钥拥有者的身份。此档案包含了公钥信息、拥有者身份信息(主体)、以及数字证书认证机构(发行者)对该文件的数字签名。
证书的本质就是对公钥加数字签名,认证机构用自己的私钥对需要认证的人(或组织机构)的公钥进行数字签名并生成证书。
证书种类
我们需要了解以下几种类型的证书
- 自签证书
- 根证书
- 中介证书
- TLS 服务器证书
- TLS 客户端证书
自签证书
用户可以自己生成数字证书,不过没有任何可信赖的人签名,它主要用于小范围测试,这种自签名证书通常不会被广泛信任,使用时可能会遇到电脑软件的安全警告。
根证书
根证书获得广泛认可,通常已预先安装在各种软体(包括操作系统、浏览器、电邮软件等),作为信任链的起点,来自于公认可靠的政府机关、证书颁发机构公司、非营利组织等,与各大软件商透过严谨的核认程序才在不同的软件广泛部署。由于部署程序复杂费时,需要行政人员的授权及机构法人身份的核认,一张根证书有效期可能长达二十年以上。在某些企业,也可能会在内部电脑自行安装企业自签的根证书,以支援内部网的企业级软件;但是这些证书可能未被广泛认可,只能在企业内部使用。
中介证书
认证机构的一个重要任务就是为客户签发证书,虽然广泛认可的认证机构都已拥有根证书,相对应的私钥可用以签署其他证书,但因为密钥管理和行政考虑,一般会先行签发中介证书,才为客户作数位签署。中介证书的有效期会较根证书为短,并可能对不同类别的客户有不同的中介证书作分工。
TLS服务器证书
网站在互联网上提供服务时,域名就是服务器证书上的主体,相关机构名称则写在组织或单位一栏上。证书和私钥会安装在服务器。客户端的软件(如浏览器)会执行认证路径验证算(Certification path validation algorithm)以确保安全,如果未能肯定加密通道是否安全(例如证书上的主体名称不对应网站域名、伺服器使用了自签证书、或加密算法不够强),可能会警告用户。
TLS客户端证书
客户端证书包含电子邮件地址或个人姓名,而不是主机名。客户端证书比较不常见,因为考虑到技术门槛及成本因素,通常都是由服务提供者验证客户身份,而不是依赖第三方认证机构。通常,需要使用到客户端证书的服务都是内部网的企业级软件,他们会设立自己的内部根证书,由企业的技术人员在企业内部的电脑安装相关客户端证书以便使用。在公开的互联网,大多数网站都是使用登入密码和Cookie来验证用户,而不是客户端证书。
根证书(自签证书)、中介证书和终端实体(TLS服务器/客户端)证书的形成如下信任链
证书格式
证书一般遵从X.509格式规范
- 版本:现行通用版本是V3
- 序号:用以辨识每一张凭证,特别是在撤销凭证的时候有用
- 主体:拥有此凭证的法人或自然人身份或机器,包括:
- 国家(C,Country)
- 州/省(S,State)
- 地域/城市(L,Location)
- 组织/单位(O,Organization)
- 通用名称(CN,Common Name):在TLS应用上,此栏位一般是域名
- 发行者:以数字签名形式签署此凭证的数字证书认证机构
- 有效期开始时间:此凭证的有效期开始时间,在此前该凭证并未生效
- 有效期结束时间:此凭证的有效期结束时间,在此之后该凭证作废
- 公钥用途:指定凭证上公钥的用途,例如数字签名、服务器验证、客户端验证等
- 公钥
- 公开密钥指纹
- 数字签名
- 主体别名
证书可以二进制或 Base64 形式储存,常见的文件扩展名有.cer、.crt、.der和.pem。如果把证书和私钥一起储存,则可以使用PKCS#12(.p12)格式。
- DER用于二进制DER编码的证书。
- PEM用于不同类型的X.509v3文件,是以“ – BEGIN …”前缀的ASCII(Base64)数据。
- CER和CRT几乎同义,证书可以被编码为二进制DER或ASCII PEM。
- PKCS7 文件,也被称为P7B,通常用于Java Keystores 和 Microsoft IIS(Windows)。它们是ASCII 文件,可以包含证书和CA 证书。
- PKCS12 文件,也被称为PFX 文件,通常用于在Micrsoft IIS(Windows)中导入和导出证书链。
应用
我们在写对外 API 时,针对信息传递的安全考虑,做如下设计
- 敏感信息脱敏,进行信息加密
- 防止信息被篡改,进行数字签名
我们使用 SHA256withRSA 进行签名,下面是一个Java简单例子
public static String sign(byte[] privateKey, String content) {
try {
java.security.Signature signature = java.security.Signature
.getInstance("SHA256withRSA");
PrivateKey priKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));
signature.initSign(priKey);
signature.update(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
byte[] signed = signature.sign();
return URLEncoder.encode(Base64.getEncoder().encodeToString(signed), "UTF-8");
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public static boolean verify(byte[] publicKey, String content, String signatureToBeVerified) {
if (StringUtils.isBlank(signatureToBeVerified)) {
return false;
}
try {
java.security.Signature signature = java.security.Signature.getInstance(